一种三自由度并联机器人的运动特性研究与样机开发

发布时间：2017-03-24 05:11

  本文关键词：一种三自由度并联机器人的运动特性研究与样机开发，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作为衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志,机器人智能技术受到越来越多国家的重视。其中,并联机器人凭借其刚度大、承载能力强、累计误差小等优点,被广泛应用到社会各领域。本文以一款三自由度并联机器人为研究对象,对其运动学性能展开了深入研究,求解出工作空间,在此基础上完成了机器人硬件平台的搭建与控制系统软件的设计,最后对该机器人的轨迹规划方法进行研究,并通过样机进行实验验证,从而为下一步实现工业应用打下基础。首先,本文对并联机器人的整体结构和工作原理进行了分析,并计算出机构的自由度。根据机构的几何约束关系,进行运动学研究,分析机器人动平台和各个驱动滑块之间的位置、速度和加速度的关系,最终求解出了机构的运动学正反解方程,为实现机器人的运动控制奠定了理论基础。根据机构的运动学逆解方程,采用空间直角坐标边界搜索法求解并联机器人动平台的工作空间,并通过Matlab软件编程绘制运动空间图形。最终求解得到并联机器人运动空间各个方向的视图,并对求解结果进行了分析。其次,本文根据三自由度并联机器人的结构特点,确定了系统的总体结构。接下来对系统各组成部分进行设计,完成了机器人机械结构的三维建模与电机、驱动器、运动控制器、线性模组、限位开关等关键部件的选型设计。将各部件进行装配,成功搭建了机器人样机的硬件平台。然后,以机器人样机硬件平台为基础,进行控制系统软件设计。根据控制器所搭载的UCOS操作系统特性,确定系统控制软件的体系结构,接下来完成串口通信模块、电机控制模块以及机器人动平台定位控制模块程序的详细设计。最后,对并联机器人轨迹规划方法展开研究,详细分析对比了关节空间内常用的两种轨迹规划方法——多项式插值法和用抛物线过渡的线性插值法,通过对比选择出适用于本文所研究并联机器人的轨迹规划方法。并在机器人样机上进行轨迹规划实验,验证了方法的可行性。
【关键词】：并联机器人 轨迹规划 工作空间 运动学分析
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 课题研究背景及意义9-10
• 1.2 并联机器人概述10-15
• 1.2.1 并联机器人的特点10-11
• 1.2.2 并联机器人的应用11-14
• 1.2.3 并联机器人的研究现状14-15
• 1.3 本文主要研究内容15-17
• 第二章 运动学分析与工作空间求解17-31
• 2.1 机构简介17-18
• 2.1.1 结构分析17-18
• 2.1.2 自由度分析18
• 2.2 运动学求解18-22
• 2.2.1 建立坐标系18-19
• 2.2.2 运动学逆解19-21
• 2.2.3 运动学正解21-22
• 2.3 速度与加速度分析22-25
• 2.3.1 速度分析22-23
• 2.3.2 加速度分析23-25
• 2.4 工作空间求解25-30
• 2.4.1 工作空间定义25
• 2.4.2 工作空间求解方法25-27
• 2.4.3 工作空间求解结果27-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第三章 机器人硬件系统设计31-44
• 3.1 系统总体结构31-32
• 3.2 机械结构三维建模32-34
• 3.3 关键部件选型设计34-42
• 3.3.1 主要参数指标34-35
• 3.3.2 丝杠滑块35-36
• 3.3.3 电机与驱动器36-40
• 3.3.4 限位开关40
• 3.3.5 运动控制器40-42
• 3.4 系统硬件平台搭建42-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第四章 机器人控制系统软件设计44-60
• 4.1 控制系统软件体系结构44-47
• 4.1.1 UCOS嵌入式操作系统简介44
• 4.1.2 机器人控制系统软件体系结构44-46
• 4.1.3 基于UCOS操作系统的应用程序开发步骤46-47
• 4.2 串口通信模块程序设计47-54
• 4.2.1 MODBUS通信协议简介47-48
• 4.2.2 MODBUS协议的传输方式48-52
• 4.2.3 控制器与伺服驱动器间的通信52-54
• 4.3 电机控制模块程序设计54-57
• 4.3.1 驱动器控制模式选择54-55
• 4.3.2 电机控制程序设计55-57
• 4.4 机器人动平台定位程序设计57-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第五章 并联机器人轨迹规划60-69
• 5.1 运动路径的描述与生成60-62
• 5.2 关节空间内的轨迹规划方法研究62-65
• 5.2.1 三次多项式插值法62-63
• 5.2.2 用抛物线过渡的线性插值法63-65
• 5.2.3 两种插值方法比较65
• 5.3 并联机器人轨迹规划实验65-68
• 5.3.1 滑块目标轨迹求解65-66
• 5.3.2 轨迹规划实验及结果分析66-68
• 5.4 本章小结68-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 6.1 论文总结69-70
• 6.2 工作展望70-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-76
• 附录 关键程序代码76-84

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