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高精度Delta机器人的开发及应用

韩威  
【摘要】:在工业机器人中,Delta机器人凭借其高精、高速以及高稳定性的特点使其在工业领域受到广泛应用,而我国Delta机器人的应用与开发相对比较薄弱。故本文的研究对象为Delta机器人,旨在提高机器人的运动精度及稳定性。本文针对提高机器人的运动精度及稳定性,基于其数学模型,优化其结构参数,最终搭建出一台精度高、稳定性强、操作简单的Delta机器人,本文主要工作概括如下。(1)首先,针对Delta机器人进行结构设计。使用SolidWorks对整机进行三维建模,并分析其结构的合理性。通过分析计算对主要零部件进行选型,包括伺服电机的选型、控制芯片的选择等。最终选择合理的装配方式搭建样机。(2)其次,对机构运动学、动力学进行分析。利用空间几何法对机器人进行位置正逆解分析,通过对比ADAMS仿真分析结果与MATLAB数学模型,证明其运动学正逆解模型的准确性,为下文动力学、结构优化等研究打下基础。然后以KED理论为基础,利用有限元的方法推导出机器人从动臂结构的弹性动力学方程,使用MATLAB编写相应程序,分析出机器人在运动时出现的弹性误差,然后引出傅里叶函数,减小机器人弹性误差。事实证明该方法对降低误差是有效的,可对一些工程应用提供参考价值。(3)随后,对机器人机构进行优化设计。首先使用蒙特卡洛法确定机器人的工作范围,并建立目标函数、确定结构参数范围。然后使用MATLAB遗传算法工具箱对目标函数进行自动寻优,可得到一组具体的优化结构参数。通过分析最高最低界面的工作范围,证明该方法得到的结构参数可使运动空间利用更加合理,空间浪费也更小。(4)最后,对机器人末端的轨迹误差进行测量补偿。首先使用双目视觉系统对机器人末端轨迹位置进行测量,得到轨迹相对误差。然后使用一套自主开发的误差补偿系统补偿机器人末端轨迹相对误差,通过实验数据对比论证,证明该系统对提升机器人末端轨迹相对精度具有明显效果。本文通过运动学动力学分析以及结构优化,搭建出一台结构合理、运动精度高、操作简单Delta机器人样机,并通过一套自主开发的轨迹测量补偿系统,使机器人在运行时,其末端重复定位精度达到20μm,定位精度达到50μm。该样机应用领域除了传统的分拣、装配领域,还应用到激光切割打印、素描绘画等领域,具有实际的工程应用价值。


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