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《燕山大学》 2017年
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几种混联/并联臂手机构运动与动力学研究

王鹏  
【摘要】:传统机械手一般由机械臂和末端执行器组成,机械臂多为串联构型,用于实现大范围的运动和定位,末端执行器用于完成精确的定位,并与外界对象发生作用,完成所需要的操作和任务。本课题对由混联机械臂、并联机械臂、手指组成的混联臂手、并联臂手进行研究,设计出多种混联臂手机构和一种并联臂手机构,期望将其应用在生产装配、产品分拣、管道检修和灾难救援等领域所面对的非结构化环境和任务中。相对于传统的串联机械臂+手爪的机械手,其在刚度、精度、通用性和灵活性等方面具有优势,相对于模仿人手的多指手,也具有制造成本、刚度、精度和动态响应性能方面的优势。本文主要研究内容如下:为混联臂手机构建立基础理论模型。首先,定义专用变量以描述手指与动平台的连接关系和手指的分布方式,并建立这些变量的求解公式;然后将手指和并联机构分离开来,在各自的坐标系中进行单独分析,建立各自的位置、速度和加速度模型;接着将这些单独的模型联合在一起进行推导,为手指上点建立位置、速度和加速度理论模型;最后,基于虚功原理建立混联臂手机构协调运动时静力学和动力学理论模型。对三种混联臂手机构进行分析。首先,设计出两种含RRPS复合驱动分支的混联臂手机构和一种以3-SPR机构作为主体的混联臂手机构;然后针对圆柱体抓持任务,为它们建立位置反解模型;接着采用逐步密化采样法和二分法迭代搜索3-RRPS和2-RRPS+SPR并联机构的定姿态工作空间,依据位置正解模型绘制3-RRPS混联臂手机构的指尖工作空间;接着对手指和并联机构进行单独分析,使用本文所建立的理论模型对这三种混联臂手机构进行速度、加速度、静力学和动力学求解;最后,构造3-RRPS混联臂手机构的仿真模型,通过数值算例对理论模型进行验证。对3-SPR型混联臂手机构进行实验研究。首先,搭建3-SPR型混联臂手实验平台,采用PC机+运动控制卡的结构构建控制系统;然后提出一种新型CAD变量几何虚拟示教方法,使用C#语言对某先进CAD软件进行二次开发,编写出机器人虚拟示教软件;最后,使用该软件对3-SPR型混联臂手机构进行运动规划、示教和运动控制实验研究,并进行误差分析和理论验证。对一种分支与手指复合式并联臂手机构进行分析。首先,以3-UPUR+SP并联机构为基础,提出一种分支与手指复合的新型并联臂手机构;然后根据该机构的自由度特点,对协调运动和抓取时可能遇到的四种情形分别建立位置反解模型;接着构造出该机构的约束方程组,并使用数值法求解出该并联臂手机构的位置正解;然后为周边3个分支建立等效虚拟直线分支,求解出该机构的雅可比矩阵和海森矩阵,进而推导出运动平台、被抓物体、手指杆、指尖的速度和加速度正解公式,以及抓住物体运动时指尖速度的简化公式;然后基于虚功原理为该机构建立静力学和动力学模型;最后,构造该并联臂手机构的仿真模型,通过数值算例验证理论模型的正确性。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP241

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