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基于可控五杆机构的并联操作机器人的设计与研究

基于可控五杆机构的并联操作机器人的设计与研究

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作者：吴慕坤北京交通大学

学位级别：硕士

工业机器人由于其高效的工作能力,在需要大量重复性的工作环境中几乎已经替代了人工作业,广泛地应用于制造装配、物流分拣、航空航天等领域,具有极大的应用价值。然而随着工业的不断发展,抓取、装配、分拣任务的复杂程度进一步提高,传... 详细信息

工业机器人由于其高效的工作能力,在需要大量重复性的工作环境中几乎已经替代了人工作业,广泛地应用于制造装配、物流分拣、航空航天等领域,具有极大的应用价值。然而随着工业的不断发展,抓取、装配、分拣任务的复杂程度进一步提高,传统工业机器人的简单重复性运动已经不能够满足这些工业应用,因此设计能够有效实现复杂任务工作的工业机器人成为了一个重要的研究方向。基于以上研究背景,本文提出了一种由可控五杆机构和组态式动平台组成的广义并联操作机器人,其动平台具有独立自由度,可以完成指向性工作;其中运动控制由基座部分驱动产生。进一步对该操作机器人进行设计与分析,验证其是否具有良好的运动性能和较高的负载能力。本文首先设计了一类能够适应多任务目标需求的并联操作机器人。综合考虑并联操作机器人应用面、实际控制难度以及本身结构特性选择了其中较优的设计方案;接着,建立其运动学数学模型,提出了一种对具有耦合特性的五杆支链的运动学求解思路,并进行了运动学结果数值验证。基于以上工作得到了机器人工作空间,将所研究的两种机构工作空间进行了对比分析优选,并研究了其结构参数对工作空间的影响,为后续尺寸优化提供参考。进一步的,建立了适于并联操作机器人的性能评价体系,包括速度关系、静刚度、奇异性、灵巧度和运动/力传递性情况。接着对得到的结果进行分析,验证所设计的并联操作机器人的优异运动性能。基于上述运动性能以及工作空间性能对并联操作机器人进行整体结构尺寸的多目标优化,最终得到了一组并联操作机器人的最优结构参数,为后续搭建样机提供了理论支撑。基于以上工作,建立了并联操作机器人的三维模型和动力学仿真模型,并完成了动力学性能仿真分析,得到了不同运行速度下的关节力矩,进一步说明了该方案承载性能优异。接着设计了并联操作机器人运动控制算法,并完成了控制系统的搭建。最后设计并成功完成了抓取实验和运动实验,验证了该并联操作机器人的设计合理性以及能够完成复杂抓取任务的能力。本文的研究对工业机器人的多样化的发展有着一定的积极意义。

关键词：广义并联机构五杆支链运动性能尺寸优化运动控制

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