一种六自由度混联机器人机构的运动学和动力学研究

摘要

传统串联机器人安装在关节处随关节运动的电机和减速器较多，具有较大的转动惯量，在高速场合应用时则显得动态性能不佳;而并联机器人和串联机器人相比较，不仅具有结构紧凑、承载能力大、刚度高等特点，而且由于驱动装置可放置在定平台上或接近定平台的位置，运动部分重量轻，速度高，动态响应好，所以具有累积误差较小、精度较高、且惯性小等特点，但是并联机器人也存在着工作空间小、运动学解析困难，编程控制复杂等问题。
　　基于以上的问题，本文提出一种融合串、并联机器人机构各自优点的新型六自由度混联机器人机构，并对其进行分析研究，充分利用其具有串联机器人工作空间大、灵活度高等特点，同时具有并联机器人刚度大、累积误差小、精度高等优点。本文主要的工作与创新点如下:
　　(1)对现有的机器人机构进行分析研究，在此基础上提出一种六自由度混联机器人机构，并对该机构进行结构分析。通过建立机构运动副的螺旋系，结合约束螺旋理论的方法对该机构进行自由度计算，验证了混联机器人机构的结构设计，并为运动学和动力学分析提供基础。
　　(2)对混联机器人机构的运动学进行分析，通过矢量法和约束方程建立运动学模型，并计算求解正运动和逆运动方程，最后通过数值模拟的方法验证其正确性。
　　(3)通过对该机构的速度及加速度特性进行研究，得到其执行机构的一阶和二阶运动系数，并结合几何方法得到机构的奇异位形，然后分析机构理论工作空间的边界条件，结合机构的奇异位形分析，求出执行机构的理论工作空间。
　　(4)利用动态静力法对该机构进行动力学分析研究。在机构各杆件的受力分析基础上，利用动态静力法的方法建立起机器人机构的动力学模型，通过模型计算得到杆件约束反力与平衡力矩，求解动力学方程。动力学分析计算研究为机构的优化设计及其电机参数选取等提供参考。
　　最后，本文在理论分析研究的基础上，通过建立虚拟样机模型，采用Adams仿真对该机构进行虚拟仿真分析，验证运动学和动力学建模的正确性，也为后续实物样机的试制打下基础。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景与研究意义

1．2 焊接机器人的发展

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 当前机构运动学与动力学研究概况

1．4 本文主要研究内容和工作

第二章 六自由度混联机器人机构的结构设计与分析

2．1 引言

2．2 混联机器人结构

2．3 自由度的计算

2．4 机构的运动学分析

2．4．1 混联机器人机构的运动学正解

2．4．2 混联机器人机构的运动学逆解

2．5 数值模拟分析

2．6 机构的速度、加速度分析

2．6．1 机构的速度分析

2．6．2 机构的加速度分析

2．7 本章小结

3．1 引言

3．2 机构的奇异性分析

3．3 工作空间分析

3．4 小结

4．1 引言

4．2 机构中各杆件的速度和加速度

4．2．1 本机构中各杆件的角速度和角加速度分析

4．2．2 本机构中各杆件质心的速度和加速度

4．3 机构的受力分析

4．4 机构的数值分析

4．5 本章小结

5．1 引言

5．2 虚拟样机模型

5．3 运动学的仿真分析

5．3．1 正向运动学的仿真分析

5．3．2 逆向数字仿真

5．4 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢