可重构型索驱动并联机器人工作空间分析与控制

作     者：张奔 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李淑娟;元振毅;李国强

授予年度：2021年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：可重构型机器人 索驱动并联机器人 工作空间 OPC接口技术 视觉测量 

摘      要：可重构型索驱动并联机器人(Reconfigurable Cable-driben Parallel Robots,RCDPRs)通过改变出索点或引入其他机构,以此改变索位置分布的一类机器人。主要分为两类:一类是索与末端执行器进行重新配置,另外一类是索与机架进行重新配置。本文主要对第二类索与机架重新配置的工作空间分析与控制进行研究。RCDPRs更能发挥其有大的工作空间、更好的运动性能、提升系统刚度、大幅度增强有效载荷、易重构等。本文主要以8索6自由度和4索3自由度可RCDPRs为研究对象,通过理论分析4索3自由度、8索6自由度RCDPRs,最后受环境所限采用4索3自由度RCDPRs进行控制系统搭建和理论验证,并测得重复误差。主要研究内容如下:根据工况选择过约束并联机器人,建立了8索6自由度结构模型,针对该模型进行运动学正解的解算,使用牛顿迭代并引入2-范数编辑优化算法,进行运动学分析;结合实际工况建立静力学模型和动力学模型,并得到统一表达式。定义了RCDPRs的力封闭工作空间和力可达工作空间。针对RCDPRs的力封闭工作空间计算时间较长,采用不等式推导、矩阵变换、秩判断等方法优化算法,缩短计算时间;编写了RCDPRs的力可达工作空间算法,进行初步仿真验证算法正确性,奠定影响因素分析算法基础。考虑进一步扩大工作空间、运动性能、系统刚度、有效载荷、易重构等优势,通过统计工作空间内离散点个数,进行归一化处理后分析了重力、最大索力、最小索力因素对4索3自由影响大小;Z向离散点位置变化量因素对8索6自由度的工作空间影响较大,引入平移各向同性指数进行评价。设计和实现了RCDPRs实验平台的软硬件,提出测量方案。设计了控制系统总体方案:硬件方面,主要对上位机、PC控制器、PLC、伺服系统进行了介绍;软件方面,介绍OPC接口原理及应用和软件设计。针对原有测量不够准确,提出了视觉测量和实时抓拍图像相结合测量其轨迹及重复误差,所得重复误差在1mm之内。原有只对索驱动并联机器人的工作空间和RCDPRs单独研究较多,将两者结合甚少。本论文将两者研究相结合,重点研究RCDPRs的工作空间的影响因素及控制系统相关问题。一方面填补RCDPRs的工作空间理论空白,另一方面为索驱动并联机器人在大型打印机应用奠定基础。