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柔性关节及3-DOF微动平面并联机器人设计与分析

刘平安  
【摘要】: 柔性铰链和并联机器人由于自身所具有的明显特性,在微操作领域正被广泛地得到应用。三自由度(3-DOF)平面并联机器人是并联机器人家族中的重要组成部分,由于结构简单、控制方便和制造成本低廉等原因,在微操作领域有着重要的应用前景和开发价值。本文主要以柔性关节和3-DOF平面并联机器人为对象,研究其在微动机器人中的设计和分析,对开发新型微操作并联机器人系统具有重要的意义。本文所开展的主要研究工作如下: 首先,文章讨论了3-DOF平面并联机器人的类型分析,建立了基于正解运动学模型的分类。与传统分类方法比较,具有方法简单实用,类型特性鲜明。并介绍了各类型的运动学正、反解模型的推导及求解过程。 然后,针对微操作机器人中的关键技术-微动柔性关节设计问题,提出了两种新型的微动柔性关节,即余弦曲线轮廓和双曲余弦曲线轮廓微动柔性关节。应用Castigliano's Displacement Theorem(卡氏位移定理),即应变能理论推导出它们的柔度系数矩阵中各元素的解析表达式。并通过有限元分析手段,对其各种工作载荷作用下的应力、变形规律进行研究,将它们与最常用的微动关节-半圆弧微动柔性关节进行比较,得出在不同性质载荷作用下各自的柔性性能,验证其有效性。在此基础上,考虑非功能方向上的变形影响,提出了微动关节的变形叠加过程,推导出了微动关节运动传递过程中的坐标变换矩阵。 同时,以(?)RR型3-DOF平面并联微操作机器人为例,介绍了微动机器人的运动学和动力学建模及其求解问题。分别通过微分运动简化法、闭环运动链矢量法推导出系统简化的线性运动学和动力学模型;采用伪刚体法、变形叠加法结合系统运动学方程和静力平衡方程,建立其动态-静力模型即动-静态模型,介绍了详细的求解过程和结果,说明了其运动精度差异。 最后,针对设计制作出的3-DOF平面并联微操作机器人,通过采用简化线性方法、有限元分析方法和实验测定手段建立线性化运动学模型,分别得到了3-DOF平面并联微操作机器人的运动Jacobian矩阵。在此基础上,求出三个对应的输出平台工作空间,通过分析和比较,验证本研究的有效性。


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