少自由度并联示教机器人的结构学与运动学设计

【摘要】：并联机构是一种机器人操作机构,其输出终端的动平台具有“高精度、高刚度、高速度”的特点。6自由度并联机构由于结构复杂、难以控制,很多关键技术还未得到解决,因而在工程实际中还没有得到广泛应用。少自由度并联机构由于结构简单、造价低等多方面的原因,目前已经成为机器人研究的一个新热点。本文结合新世纪教育教学改革项目“机械基础理论教学与实践教学综合改革的研究与实践”子项目“并联示教机器人实验装置的研制”,及智能机械研究方向的需要,设计了一种满足自由度类型组合要求的少自由度并联机构,研究了并联机构型综合的方法,并初步分析了并联机构分支运动链与动平台输出自由度的关系。 并联机构分支运动链自由度与动平台自由度的关系是并联机器人结构设计的首要问题。利用螺旋理论分析了并联机构中常见分支运动链的约束类型,在此基础上分析了几种典型并联机构分支运动链自由度与动平台自由度的关系,得出了一些普遍结论。 并联机构的结构设计是要根据设计任务要求获得可能的结构形式。为了获得所有可能的满足设计任务要求的并联机构结构型,根据并联机构的自由度计算公式获得满足自由度要求的全部由基本副组成的并联机构运动链。利用运动副替代的方法,对这些由基本副组成的运动链进行替代,从而获得在工程实际中可以应用的并联机构结构型。并且根据并联机构中驱动副的类型以及其在分支运动链中的位置等因素,对所获得的并联机构结构型进行了初步筛选。对于6自由度并联机构,由于其分支运动链的自由度一定大于等于6,可以将那些满足这一条件的分支运动链进行任意组合以获得所需的结构型。 少自由度并联机构希望某些非期望输出运动为常量,因此在进行结构设计时需要应用螺旋理论分析所获得的并联机构能够实现的自由度组合类型。本文介绍了基于单开链单元的少自由度并联机构的设计方法,并结合课题需要,分析了满足设计任务要求的并联机构自由度组合类型,利用基于运动副替代的方法设计了一种符合要求的五自由度并联机构。 本文针对所设计的五自由度并联机构,研究了并联机构的位置正解和逆解,给出了该并联机构的位置正解模型和逆解模型,并对逆解进行了计算。初步研究该并联机构的性能指标,对其奇异性进行了分析。