喷涂机器人连续3R斜交非球型手腕设计方法与实践

论文摘要

本文以开发喷涂机器人专用、可实现3个回转自由度的手腕为目标,深入系统地研究了一种具有3个连续回转自由度的斜交非球型手腕的创新结构设计、运动学分析、动力学建模、运动学标定、控制平台搭建等关键技术,并建造连续3R斜交非球型手腕样机一台。取得如下主要研究成果:利用锥齿轮可以改变传动方向的特点,提出一种以分锥角为60o的锥齿轮构造具有3个连续回转自由度、中空结构的斜交非球型手腕。中空结构有利于保护从中穿过的油漆管、溶剂管、成型空气管和测速光纤等,而且在手腕转动过程中不会引起内部管路打结或折断。该手腕结构紧凑、惯量小、灵活度大,能实现三维空间内的任意姿态,适合用于喷涂机器人。基于图论理论,建立连续3R斜交非球型手腕机械结构的正则拓扑图,并将构成手腕的连杆分成支撑连杆和被支撑连杆。同时,引入虚拟连杆的概念,依据运动情况合理分解由被支撑连杆引起的广义惯性力,应用拉格朗日方程分别构造由虚拟连杆和被支撑连杆引起的广义惯性力,最后整合生成高效系统的手腕动力学方程。在方程中,被支撑连杆的耦合作用可以独立系统地表示出来。采用商用PLC及MP2300机器控制器为硬件平台,搭建斜交非球型手腕6R喷涂机器人的控制系统,并开发了手腕运动控制程序基于D-H参数模型,建立了连续3R斜交非球型手腕全参数误差辨识模型,并进行了计算机仿真。最后基于所建造的手腕样机,用FARO激光跟踪仪进行测量完成了手腕运动学参数标定试验,实验结果证明了所建立连续3R斜交非球型手腕全参数误差辨识模型的正确性和精度补偿的有效性。基于上述研究成果,建造连续3R斜交非球型手腕样机一台。经运动学参数标定后,手腕末端靶球中心点的空间定位精度可以达到0.104 mm,能够满足轿车车身喷涂作业的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景与研究意义
• 1.2 国内外研究状况
• 1.2.1 机器人手腕种类与存在问题
• 1.2.2 刚体动力学分析
• 1.2.3 结构参数标定与精度补偿
• 1.2.4 控制技术研究
• 1.3 回顾总结与课题提出
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 概念设计与运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 概念设计
• 2.2.1 工作原理及要求
• 2.2.2 方案论证
• 2.2.3 结构设计
• 2.3 运动学分析
• 2.3.1 运动学正解分析
• 2.3.2 运动学逆解分析
• 2.4 诱导运动分析
• 2.5 工作空间分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 动力学分析与电机参数选定
• 3.1 引言
• 3.2 手腕运动功能简图与拓扑图
• 3.2.1 运动功能简图
• 3.2.2 拓扑图
• 3.2.3 正则拓扑图
• 3.3 动力学模型
• 3.3.1 基本运动单元方程
• 3.3.2 坐标系的建立
• 3.3.3 支撑连杆运动引起的广义惯性力
• 3.3.4 被支撑连杆相对运动引起的广义惯性力
• 3.3.5 工程实例计算
• 3.4 伺服电机参数的确定
• 3.4.1 等效电机转动惯量
• 3.4.2 关节角速度与峰值转矩
• 3.4.3 参数计算与电机选择
• 3.5 本章小结
• 第四章 几何参数标定建模与仿真
• 4.1 引言
• 4.2 手腕运动学标定模型
• 4.2.1 运动学标定模型
• 4.2.2 靶球中心点位置正解
• 4.3 全参数误差辨识模型
• 4.3.1 误差源分析
• 4.3.2 误差辨识模型
• 4.4 计算机仿真
• 4.5 本章小结
• 第五章 手臂参数优化与手腕样机研发
• 5.1 引言
• 5.2 喷涂机器人总体设计方案
• 5.2.1 喷涂机器人工作过程及要求
• 5.2.2 主连杆参数优化
• 5.2.3 计算实例
• 5.3 连续3R 斜交非球型手腕的详细设计
• 5.3.1 手腕设计原则
• 5.3.2 手腕详细结构设计
• 5.4 手腕样机研发
• 5.5 本章小结
• 第六章 控制系统设计与标定试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 系统硬件平台
• 6.3 软件开发
• 6.4 几何参数标定
• 6.4.1 误差测量
• 6.4.2 误差辨识及精度补偿
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文结论
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间参加的科研项目和发表的学术论文
• 致谢