發(fā)布時(shí)間：2020-04-28 21:08

【摘要】：拾放操作是工業(yè)生產(chǎn)中的典型工藝,用以完成上下料、分揀、包裝等任務(wù)。并聯(lián)機(jī)器人因其高速、高加速度的性能優(yōu)勢(shì),能夠提高作業(yè)的效率,成為工業(yè)拾放操作的熱門(mén)之選。然而傳統(tǒng)的并聯(lián)機(jī)器人具有一個(gè)根本性的缺陷:占地較大,而工作空間非常有限。這一缺陷大大限制了并聯(lián)機(jī)器人,尤其是在拾放操作方面的應(yīng)用。本文面向平面三、四自由度拾放操作,提出了一類(lèi)主動(dòng)關(guān)節(jié)同軸的并聯(lián)機(jī)器人,不僅保留了并聯(lián)機(jī)器人高動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)勢(shì),并且其工作空間大大拓展,達(dá)到了接近串聯(lián)機(jī)器人工作空間的水平。由此,本文就該驅(qū)動(dòng)同軸式并聯(lián)機(jī)器人展開(kāi)構(gòu)型設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制等研究。論文的主要內(nèi)容包括:本文以一款驅(qū)動(dòng)同軸三自由度平面運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人V3為主要研究對(duì)象。首先,對(duì)其進(jìn)行了建模與分析,包括:從機(jī)器人閉鏈方程出發(fā)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行推導(dǎo)與分析,基于反向運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行靈巧工作空間分析,利用速度雅可比矩陣進(jìn)行奇異性分析,以及利用虛功原理建立剛體動(dòng)力學(xué)模型。接著,基于V3并聯(lián)機(jī)器人的構(gòu)型提出了一款新型的能夠?qū)崿F(xiàn)三平動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)的四自由度驅(qū)動(dòng)同軸并聯(lián)機(jī)器人T4。該機(jī)器人為V3并聯(lián)機(jī)器人的升級(jí)設(shè)計(jì),保留了大工作空間和末端執(zhí)行器能夠不受限旋轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)改變?cè)兄ф湗?gòu)型,并增加新的提拉支鏈,使其克服了V3并聯(lián)機(jī)器人末端執(zhí)行器不能沿豎直方向平動(dòng)和承重能力差的缺點(diǎn)。隨后,本文從T4并聯(lián)機(jī)器人閉鏈方程出發(fā)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行推導(dǎo)與分析,基于反向運(yùn)動(dòng)學(xué)得到了機(jī)器人靈巧工作空間的解析表達(dá)式,利用速度雅可比矩陣奇異性進(jìn)行了分析。針對(duì)高速拾放操作的工業(yè)應(yīng)用需求提出了三種機(jī)器人機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,并對(duì)V3并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),從而獲得最優(yōu)的桿件幾何參數(shù)。這三種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分別以靈巧性指標(biāo)、速度指標(biāo)、精度指標(biāo)、加速度指標(biāo)、電機(jī)輸出功率指標(biāo)和彎曲剛度指標(biāo)中的若干項(xiàng)為約束條件,并均以最大化滿足性能指標(biāo)要求的工作空間為目標(biāo)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性,各最優(yōu)設(shè)計(jì)的性能都得到了極大改善。在考慮機(jī)器人桿件運(yùn)動(dòng)柔性時(shí),本文對(duì)V3并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)控制一體化設(shè)計(jì)的研究。效率是高速拾放操作的關(guān)鍵需求。為了達(dá)到高加速度通常都會(huì)減輕運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量,但是這會(huì)導(dǎo)致桿件的柔性效應(yīng)增加。由于結(jié)構(gòu)參數(shù)與控制參數(shù)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)整體性能有耦合影響,一體化設(shè)計(jì)的方法被用于改進(jìn)V3并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)整體性能。有限元方法被用來(lái)推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)模型。機(jī)器人閉環(huán)系統(tǒng)采用比例微分控制策略。針對(duì)高速拾放操作的應(yīng)用需求,本文提出了一種基于操作效率的一體化設(shè)計(jì)方法。該方法以精度作為性能約束,通過(guò)求解一體化設(shè)計(jì)問(wèn)題同時(shí)優(yōu)化結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示一體化設(shè)計(jì)方法在保證精度同時(shí),使機(jī)器人系統(tǒng)的操作效率得到了提升。結(jié)合機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特征和機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后奇異位形的分布情況,研究了無(wú)奇異的路徑規(guī)劃策略。該策略能夠通過(guò)起始點(diǎn)與終止點(diǎn)的末端執(zhí)行器的位置與姿態(tài)信息判斷能否進(jìn)行無(wú)奇異路徑規(guī)劃和選擇路徑的類(lèi)型。最后,本文研制了V3并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)的樣機(jī)。制造該機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)采用了工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中常用的零部件。以該機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該樣機(jī)能夠應(yīng)用于高速拾放操作以及機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TP242

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