一种五自由度混联机器人静柔度建模与设计方法研究

发布时间：2017-09-15 20:46

  本文关键词：一种五自由度混联机器人静柔度建模与设计方法研究

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【摘要】：本文密切结合国家发展航空航天和高端装备制造业的重大需求,在国家自然科学基金重点项目及高等学校博士学科点专项科研基金资助下,系统研究了5自由度混联模块的拓扑结构综合、运动学性能评价、静柔度建模、轻量化设计、刚体动力学建模与伺服电机参数预估等问题。全文取得如下创造性成果:在拓扑结构综合方面,以UPR-SPR和UP运动链为虚拟链,揭示了组成UPR-SPR型和UP型等效运动并联机构中4自由度和5自由度分支运动链各运动副轴线需满足的几何条件,据此综合出多种含冗余驱动或过约束的1T2R三自由度位置型并联机构新构型。在由2自由度转头及面对称3-SPR并联机构组成的5自由度混联机器人运动学分析方面,建立了一般面对称3-SPR并联机构位置逆解模型,揭示出其存在解析解时链中回转副轴线的配置条件。在此基础上,建立了一种具有解耦格式的雅可比矩阵,并构造出一组取值介于[0,1]之间、无量纲、与坐标系无关的运动学性能指标。通过揭示机构无量纲尺度参数对这组指标的影响规律,构造出满足给定运动学性能、支链极限杆长比和球副转角等几何与运动学约束的尺度参数可行域。在上述混联机器人静柔度建模方面,提出一种考虑构件重力场、以及构件与铰链静柔度的末端变形半解析建模方法。该方法的建模手续可概括为:(1)建立关节力与末端外载荷及运动部件重力间的映射关系;(2)构造计及运动部件自身分布重力的关节变形精确模型;(3)利用半解析法构造支链在关节空间中的静柔度矩阵。利用上述模型可快速计算出外载荷及运动部件重力引起的末端变形在工作空间中的分布规律。在上述混联机器人轻量化设计方面,提出一种具有分层递阶格式的设计方法。该方法以2自由度转头与3-SPR并联机构刚度相匹配、支链驱动与约束刚度相匹配、链中铰链与支链体刚度相匹配为设计准则,以末端静刚度、制造工艺、构件及运动副尺度关联关系等为约束条件,以整机运动部件质量最轻为目标,实现了机器人系统的轻量化设计。相应设计流程的要点为:以整机低阶固有频率最高作为各子系统刚度系数匹配的依据,首先将末端静刚度分配给2自由度转头及链中各子装配体,然后以分配给后者的刚度为约束,实现它们的轻量化设计,进而实现整机的轻量化设计。所提出的轻量化设计方法可在满足静刚度约束条件下,使得整机质量最轻且具有优良的动态特性。在上述混联机器人刚体动力学建模与伺服电机参数预估方面,从构造各部件的力旋量和速度旋量入手,提出一种建立3-SPR并联机构刚体动力学模型的方法。在此基础上,通过计算在给定加速度下的峰值力矩和折算到电机轴上的转动惯量全域均值,提出一种合理选择伺服电机参数的方法。上述成果不但已成功地用于指导一台5自由度混联机器人的数字样机设计,而且对丰富和发展这类机器人的设计理论与方法,促进其在我国航空制造中的应用具有重要的理论和实用价值。
【关键词】：混联机器人 拓扑结构综合 运动学性能评价 静柔度建模 轻量化设计 伺服电机参数预估
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-16
• 字母注释表16-24
• 第一章 绪论24-36
• 1.1 课题背景及研究意义24-27
• 1.2 国内外研究状况27-34
• 1.2.1 拓扑结构综合27-29
• 1.2.2 静刚度建模29-30
• 1.2.3 刚体动力学建模30-31
• 1.2.4 基于性能驱动的优化设计31-34
• 1.3 本文主要研究内容34-36
• 第二章 1T2R位置型并联机构拓扑结构综合36-46
• 2.1 引言36
• 2.2 虚拟链与虚拟链法36-38
• 2.3 UPR-SPR型等效运动并联机构的综合38-41
• 2.3.1 UPR-SPR虚拟链约束旋量系及其分解38
• 2.3.2 UPR-SPR-PM分支运动链综合38-39
• 2.3.3 UPR-SPR-PM综合39-41
• 2.4 UP型等效运动并联机构的综合41-43
• 2.5 小结43-46
• 第三章 类Exechon机器人运动学性能评价46-68
• 3.1 引言46
• 3.2 运动学分析46-60
• 3.2.1 系统描述与坐标系建立46-49
• 3.2.2 位置逆解分析49-52
• 3.2.3 位置正解分析52-55
• 3.2.4 工作空间分析55-57
• 3.2.5 齐次量纲全雅可比矩阵57-60
• 3.3 性能评价60-67
• 3.3.1 评价指标60-61
• 3.3.2 尺度参数对运动学性能的影响规律61-63
• 3.3.3 尺度参数域设计准则63-64
• 3.3.4 算例64-67
• 3.4 小结67-68
• 第四章 类Exechon机器人静柔度建模68-98
• 4.1 引言68
• 4.2 2-DOF转头静柔度建模68-74
• 4.2.1 坐标系建立及姿态描述68-69
• 4.2.2 力分析69-72
• 4.2.3 变形分析72-73
• 4.2.4 静柔度模型73-74
• 4.3 3-SPR并联机构静柔度建模74-85
• 4.3.1 力分析75-78
• 4.3.2 变形分析78-79
• 4.3.3 静柔度模型79-81
• 4.3.4 构造(C|-)_(aa)、(C|-)_(cc)和(C|-)_(ac)81-84
• 4.3.5 构造ρ''_(ta)和ρ''_(tc)84-85
• 4.4 整机静柔度模型及重力传递特性85-86
• 4.5 算例86-95
• 4.6 小结95-98
• 第五章 类Exechon机器人轻量化设计98-132
• 5.1 引言98
• 5.2 设计思想与流程98-101
• 5.3 刚度匹配准则101-105
• 5.3.1 转头与并联机构刚度匹配准则101-102
• 5.3.2 球副与支链体装配体刚度匹配准则102-103
• 5.3.3 驱动与约束刚度匹配准则103-104
• 5.3.4 刚度匹配策略104-105
• 5.4 2-DOF转头响应分析105-109
• 5.5 3-SPR并联机构响应分析109-123
• 5.5.1 SPR支链结构剖析109-111
• 5.5.2 构件及运动副尺度关联约束111-113
• 5.5.3 制造工艺约束113
• 5.5.4 支链体质量响应面拟合113-114
• 5.5.5 支链体刚度响应面拟合114-115
• 5.5.6 3-SPR并联机构响应规律115-121
• 5.5.7 驱动与约束刚度对末端静刚度贡献率分析121-123
• 5.6 算例123-129
• 5.7 小结129-132
• 第六章 类Exechon机器人刚体动力学建模与伺服电机参数预估132-148
• 6.1 引言132
• 6.2 刚体动力学建模132-144
• 6.2.1 速度分析133-136
• 6.2.2 加速度分析136-138
• 6.2.3 刚体动力学模型138-144
• 6.3 伺服电机参数预估144-147
• 6.3.1 伺服电机峰值力矩预估模型144-145
• 6.3.2 伺服电机转子惯量校核模型145-146
• 6.3.3 算例146-147
• 6.4 小结147-148
• 第七章 全文结论148-150
• 7.1 结论148-149
• 7.2 工作展望149-150
• 参考文献150-160
• 发表论文和参加科研情况说明160-164
• 致谢164-165

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本文编号：858819