一种球面2-DOF冗余驱动并联机器人的优化设计

论文摘要

球面5R并联机器人机构作为球面上点的定位设备有着重要的实际应用以及开发价值,而本文研究的球面2-DOF冗余驱动并联机器人机构是在球面5R并联机器人机构的基础上增加一个分支实现冗余驱动,从而减少了机构的奇异点、并提高了机构的承载能力和刚度,能够更好地完成球面5R并联机器人机构的工作任务。本文以球面2-DOF冗余驱动并联机器人机构为研究对象,通过计算机软件编程的方法实现机构在不同应用场合下的优化设计,同时从可操作度的角度分析了机构的奇异位形。本文首先在球面2-DOF冗余驱动并联机器人机构运动学分析的基础上,详细归纳了机构各项全域性能指标和局域性能指标在尺寸设计空间内的分布规律,并计算了相应的性能指标值。从可操作度的角度出发研究了球面2-DOF冗余驱动并联机器人机构的奇异位形,给出了奇异位形存在的条件,并通过实例给出了统一的判别奇异位形的方法。基于兼顾全域性能指标和局域性能指标相对综合最优的机器人机构尺寸优化设计原则,编写优化程序,实现了球面2-DOF冗余驱动并联机器人机构在不同应用场合下兼顾不同性能指标的优化设计。通过VB、Matlab、Pro/E混合编程的方法,使得在优化设计过程中能够快速的分析和计算该机构的局域指标和全域指标,绘制机构的运动学性能图谱,实现了机构参数化实体建模。最后通过两个优化设计实例说明了机构的优化设计过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 并联机器人概述
• 1.2 并联机器人的应用
• 1.3 球面并联机构的研究及应用
• 1.4 冗余驱动并联机器人研究及应用
• 1.5 课题的研究意义及论文的主要内容
• 第2章 球面2-DOF 冗余驱动并联机器人的机构分析
• 2.1 概述
• 2.2 球面 2-DOF 冗余驱动并联机器人机构的运动学分析
• 2.2.1 并联机构模型
• 2.2.2 并联机构约束方程
• 2.2.3 并联机构位置反解
• 2.2.4 逆向雅克比矩阵
• 2.3 设计空间与工作空间
• 2.3.1 设计空间
• 2.3.2 工作空间
• 2.3.3 理论工作空间面积
• 2.4 并联机构的性能指标
• 2.4.1 局域性能指标
• 2.4.2 全域性能指标
• 2.5 本章小结
• 第3章 球面2-DOF 冗余驱动并联机器人机构的奇异分析
• 3.1 概述
• 3.2 并联机构的可操作度
• 3.3 奇异分类
• 3.4 球面2-DOF 冗余驱动并联机器人机构位形奇异
• 3.4.1 位形奇异发生的数学条件
• 3.4.2 位形奇异发生的物理条件
• 3.5 球面 2-DOF 冗余驱动并联机器人机构的边界奇异
• 3.5.1 边界奇异发生的数学条件
• 3.5.2 边界奇异发生的物理条件
• 3.6 本章小结
• 第4章 优化设计方法及实现
• 4.1 概述
• 4.2 优化设计方法
• 4.3 优化设计功能实现
• 4.3.1 相关软件介绍
• 4.3.2 优化设计功能
• 4.3.3 关键功能实现
• 4.4 优化设计功能界面
• 4.4.1 全域性能指标输入界面
• 4.4.2 优化截面及指标计算界面
• 4.4.3 优化结果显示界面
• 4.4.4 局域性能指标分析界面
• 4.4.5 参数化建模界面
• 4.4.6 零件选择界面
• 4.4.7 特征选择界面
• 4.5 优化设计功能菜单
• 4.5.1 “性能指标”菜单项
• 4.5.2 “性能图谱”菜单项
• 4.5.3 “尺寸优化”菜单项
• 4.5.4 “参数化建模”菜单项
• 4.5.5 “帮助”菜单项
• 4.6 本章小结
• 第5章 优化设计范例
• 5.1 概述
• 5.2 优化设计范例
• 5.2.1 基于八项全域指标优化
• 5.2.2 基于四项全域指标优化
• 5.3 性能指标优化说明
• 5.3.1 全域性能指标
• 5.3.2 局域性能指标
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介