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少自由度并联机器人的奇异与精度容错纠错技术研究

陈斯  
【摘要】:并联机器人在IC制造装备中具有广泛的应用价值,容错纠错技术是提高并联机器人可靠性和安全性的一种有效手段。本文以并联机器人机械系统的容错纠错技术的研究为主线,运用并联机构的运动学分析、奇异位形分析、螺旋理论、精度分析和机构的自重构等理论、方法和工具,在并联机器人的奇异容错、精度容错和驱动器故障容错等方面进行了较为深入和系统的研究。 以Gosselin的奇异分类为基础,将第二类奇异位形对并联机器人的不利影响看做一种机械系统故障,提出了结合冗余驱动的并联机器人奇异容错纠错策略框架。阐述了该框架的基本思想和实现步骤,用线性方程组解的情况和矩阵条件数解释了该“故障”发生和被克服的实质,以此为基础定义了描述奇异被消除程度的奇异容错度指标,基于该指标提出了精度容错结构优化算法,用来确定使并联机器人具有最佳奇异容错能力的冗余驱动的结构参数。分析出2RPS+2TPS型并联机器人的一个典型的第二类奇异位形,比较了三种奇异容错策略克服这一奇异位形效果的优劣,对这三种容错纠错策略进行了仿真研究,结果表明文中提出的以奇异容错度为依据的容错纠错策略能有效的克服奇异位形的不良影响。 将误差源对并联机器人的不利影响看做为一种机械系统故障,提出了并联机器人精度容错的概念和基本思想,定义了描述并联机器人精度容错能力的指标——精度容错度。基于螺旋理论,利用球面并联机器人的过约束性设计了具有冗余驱动的球面m-RRR(m≥4)型改进型机器人。通过求解原机器人和改进机器人的精度容错度,比较了它们的精度容错能力,并结合实例进行了仿真研究,仿真结果表明文中提出的以精度容错度为依据的容错纠错策略能有效地提高并联机器人的精度,克服误差源的不良影响。 基于机构类型演化设计了一种具有驱动器故障容错功能的1TP+3TPRS型并联机器人,研究了机器人的机械系统容错重构策略。在位置反解的基础上推导出轨迹重构规划算法。对于退化机器人容错性能指标的研究,定义了容错空间影响因子,可以用来衡量机器人在发生故障后的容错操作能力,并提出基于该指标的容错机器人的结构参数优化设计方法。通过模拟动平台按预期轨迹运动时某驱动器在不同时刻发生故障的情况,比较了退化机器人的工作状况,结果表明基于容错空间影响因子的结构参数优化设计方法对于提高容错性能具有重要的意义。 完成了2RPS+2TPS和3TPS+1PT两种类型的实验样机的设计、装配工作,并对球面4-RRR型原型样机进行了三维设计。 本文针对并联机器人进行的奇异容错、精度容错和驱动器故障容错研究将为并联机器人的容错纠错提供了一套行之有效的理论、方法与技术。


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