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一种直线电机驱动的六棱锥式并联机器人研究

刘玮  
【摘要】:并联机器人因其具有承载能力强、积累误差小、动态响应快等优点,逐渐成为目前国内外研究的热点之一。本文提出一种由直线电机驱动,导轨呈六棱锥式倾斜布置的新型并联机器人结构,运用仿真分析与实验验证相结合的方法对并联机器人机构学、运动学和动力学等关键理论进行了深入研究,旨在深化并联机器人相关理论和扩大工程化应用范围。本文主要展开了以下几个方面的理论和实验研究: (1)提出了一种直线电机驱动的六棱锥式并联机器人总体方案。从驱动方式、铰链组成和导轨布置三方面对比分析了Stewart和Hexaglide两种典型结构并联机器人的特点。以机构的最大转角和最高运动频率为基本性能指标,确定了由课题组自行研制的直线电机驱动、导轨呈六棱锥式倾斜布置的并联机器人结构,通过分析认为其具有速度精度高、运动惯量小和转动角度大等特点。 (2)建立了六棱锥式并联机器人运动学和动力学通用模型。采用几何法和求导法根据运动连杆长度不变的几何约束条件建立了负载平台位姿与直线电机动子位移、速度和加速度之间的映射关系,并获得了机构的雅克比矩阵;提出质点系法结合拉格朗日法,将运动连杆视为质点系计算其动能,保证运算速度的同时提高了模型的精度,获得了负载平台位姿与直线电机驱动力的映射关系。所建立的数学模型为后续更深入的理论研究和工程应用奠定理论基础。 (3)确定了六棱锥式并联机器人的主要结构参数。以结构紧凑、无奇异和无机械干涉为原则,讨论运动连杆长度、负载平台半径和导轨倾斜角度变化对机构平动和转动性能的影响;分析了机构运动频率与驱动力、导轨倾斜角度与能耗的关系。完成了机构零部件和基于dSPACE硬/软件的工程设计,成功研制出样机及其控制系统,并进行了运动学和动力学的验证实验,实验结果表明所建立的数学模型是正确的、可行的。 (4)对六棱锥式并联机器人奇异性和工作空间这一关键理论进行了深入研究。基于雅克比矩阵行列式讨论六棱锥式并联机器人发生奇异的条件,并引入可操作度表征任务轨迹远离奇异位形的程度。分析了机构工作空间的约束条件,采用圆柱坐标搜索法获得了定姿态工作空间和定位置转动工作空间,为轨迹规划提供理论依据。进行了样机的性能测试实验,实验结果表明样机性能与仿真结果吻合并且能够满足总体方案的性能指标要求。 (5)对六棱锥式并联机器人冗余任务下驱动力优化这一关键理论进行了深入研究。以瞬时动能最小为优化目标,分别采用极值法和遗传算法对单自由度和三自由度冗余驱动力分配进行优化和验证实验。研究结果表明,与冗余自由度上变化规律为零的情况对比,优化后的机构能耗有大幅度降低,说明优化方法是正确的、可行的。 (6)为将基础研究向工程化应用发展,对六棱锥式并联机器人在车辆工程领域应用方案的可行性进行了探讨。通过对样机特点和不同应用场合的需求分析,提出机构作为车载零部件振动试验台的应用方案设想。采用谐波叠加法通过Matlab编程获得了国家级公路的路谱,并建立了简化的车辆模型,获得了车载零部件六个自由度上的振动情况。进行了振动实验,实验结果表明六棱锥式并联机器人能够较好再现车载零部件振动情况。


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