基于4-RRR-RR的并联结构腰关节的运动学分析

论文摘要

空间少自由度并联机器人具有结构简单、紧凑、造价较低、便于实现模块化、局部工作空间内刚度较高,具有较高的实用价值,在工业生产及其它领域有着广阔的应用前景,受到国内外学者的关注,成为机器人领域的一个新的研究热点。本文对基于4-RRR-RR四自由度并联结构腰关节进行了运动学分析与仿真。运用螺旋理论求解了4-RRR-RR并联腰关节的自由度,通过分析机构的运动特性,表明该四自由度并联机构适合作为仿人机器人的腰关节。运用解析几何理论求解了该腰关节的位置反解,通过位置反解与一阶影响系数矩阵的结合,求出位置的正解,并通过数值检验了位置正解和反解。通过在球坐标系中对空间的搜索,绘制出不同结构参数下工作空间的大小和截面分布情况,并定量分析了结构参数对工作空间的影响。应用影响系数法和虚设机构法求解出该腰关节的雅可比,绘制出该腰关节的在相应的工作空间内的角速度传递性能指标分布图。以角速度传递性能指标、工作空间和组装条件为依据,确定腰关节的参数,设计出4-RRR-RR并联腰关节模型,并进行了运动学仿真。本文的研究工作为仿人机器人腰关节的整体研究奠定了基础,并为其进一步的应用提供了一些理论上的支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 机器人概述
• 1.2 仿人机器人的发展及对腰关节的研究
• 1.2.1 国外仿人机器人的发展状况
• 1.2.2 国内仿人机器人的发展状况
• 1.2.3 仿人机器人腰关节的研究状况
• 1.3 少自由度并联机器人的研究及其应用
• 1.3.1 少自由度并联机器人的研究状况
• 1.3.2 少自由度并联机器人的应用
• 1.4 课题的研究意义和内容
• 第2章 并联结构腰关节的位置分析
• 2.1 概述
• 2.2 腰关节的设计思想和机构原型介绍
• 2.2.1 腰关节的设计思想
• 2.2.2 4-RRR-RR 并联腰关节模型介绍
• 2.2.3 基本结构参数
• 2.3 腰关节机构原型的自由度计算
• 2.4 位置分析
• 2.4.1 位置反解
• 2.4.2 位置正解
• 2.5 算例
• 2.5.1 位置正解算例
• 2.5.2 位置反解算例
• 2.6 本章小结
• 第3章 并联结构腰关节的工作空间分析
• 3.1 概述
• 3.2 工作空间的约束分析
• 3.2.1 同一分支上主动杆与其后的随动杆之间的约束分析
• 3.2.2 主动杆与固定平台之间的干涉
• 3.2.3 相邻分支主动杆与随动杆之间的干涉
• 3.3 工作空间形状分析
• 3.3.1 搜索工作空间的方法
• 3.3.2 搜索工作空间的程序实现
• 3.3.3 工作空间的描述
• 3.3.4 结构参数对工作空间的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 并联结构腰关节的运动性能分析
• 4.1 概述
• 4.2 运动影响系数
• 4.3 并联腰关节的一阶影响系数分析
• 4.3.1 腰关节的等效变换
• 4.3.2 一阶影响系数矩阵
• 4.3.3 速度分析
• 4.4 运动学传递性能评价指标
• 4.4.1 各向同性分析
• 4.4.2 速度传递性能分析
• 4.4.3 速度传递性能描述
• 4.5 本章小结
• 第5章 并联结构腰关节的运动仿真
• 5.1 概述
• 5.2 腰关节的三维建模
• 5.3 虚拟样机分析步骤
• 5.4 腰关节的运动仿真
• 5.4.1 位置反解仿真
• 5.4.2 位置正解仿真
• 5.4.3 运动轨迹规划
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介