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新型3-CRPu纯平动并联机器人设计及分析

作　者: 张树乾
导　师: 吴鑫; 张彦斌
学　校: 河南科技大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 并联机器人运动学分析运动性能分析虚拟样机
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

少自由度并联机器人不仅具有6自由度机器人的大多数优点，如刚度大、精度高、承载能力强、运动惯性较小、响应速度快，而且具有结构简单、运动学解简单、制造成本低、控制较为容易等特点，因此少自由度并联机构已成为机构学和机器人领域关注的焦点，而3自由度移动并联机构又是受到关注较多的一类。本文提出一种新型3-CRPu纯平动并联机器人机构。该机构由定平台，动平台以及连接定平台和动平台的三条完全相同的分支运动支链组成；每条分支运动支链均由一个圆柱副、一个转动副和一个平行四边形结构组成，其中平行四边形结构由两个转动副和两个球副构成；同一分支运动支链中的圆柱副和转动副轴线相互平行。基于螺旋理论分析了3-CRPu并联机器人的自由度；分别以机构中3个圆柱副的转动自由度和移动自由度作为主动输入，推导出两种输入方式下机构的位置、速度、加速度的正、逆解；讨论了机构的工作空间、奇异性和灵巧性。值得注意的是，当主动输入为移动自由度时，机构速度雅可比矩阵为3×3阶单位阵，在整个工作空间内其条件数恒等于1，故机构沿各个方向具有相同的运动和力学性能，即此种输入下机构为完全各向同性并联机构。依据分析结果可知，选取三个圆柱副的移动自由度作为主动输入较为合适。另外，基于给定工作空间对3-CRPu并联机器人机构进行了尺度综合。本文应用基于Pro/E软件的自顶向下设计方法和广义模块化设计方法，建立3-CRPu纯平动并联机器人虚拟样机模型。基于虚拟样机对并联机器人机构进行正、逆运动学仿真分析，验证了理论推导的正确性。最后，在理论公式推导和虚拟样机分析的基础上，设计制造出3-CRPu纯平动并联机器人的实体样机；根据“PC+运动控制器”开放式数控系统模式，初步完成实体样机的控制系统设计。

全文目录

摘要  2-3
ABSTRACT  3-8
第1章绪论  8-20
  1.1 并联机器人概述  8-9
  1.2 并联机器人的特点与分类  9-10
    1.2.1 并联机器人的特点  9
    1.2.2 并联机器人机构的分类  9-10
  1.3 并联机器人的应用  10-14
    1.3.1 工业机器人  10-11
    1.3.2 并联机床  11-13
    1.3.3 飞行模拟器  13-14
  1.4 少自由度并联机器人研究现状  14-18
    1.4.1 少自由度并联机器人型综合  15
    1.4.2 少自由度并联机器人运动学分析  15-16
    1.4.3 少自由度并联机器人运动性能分析  16-17
    1.4.4 少自由度并联机器人尺度综合  17-18
    1.4.5 少自由度并联机器人动力学研究  18
  1.5 选题意义与研究的主要内容  18-20
第2章 3-CRPu 并联机器人机构运动学分析  20-34
  2.1 概述  20
  2.2 3-CRPu 并联机器人机构自由度分析  20-24
    2.2.1 机构描述  20-21
    2.2.2 自由度计算  21-24
    2.2.3 主动副选取  24
  2.3 3-CRPu 并联机器人机构运动学分析  24-29
    2.3.1 转动自由度为主动输入时运动学分析  24-28
    2.3.2 移动自由度为主动输入时运动学分析  28-29
  2.4 3-CRPu 并联机器人机构运动学算例仿真  29-33
  2.5 本章小结  33-34
第3章 3-CRPu 并联机器人机构运动性能分析  34-50
  3.1 概述  34-35
  3.2 工作空间分析  35-39
    3.2.1 干涉情况分析  35-37
    3.2.2 基于几何法的工作空间分析  37-38
    3.2.3 基于数值法的工作空间分析  38-39
  3.3 3-CRPu 并联机器人机构奇异性分析  39-43
    3.3.1 转动自由度为主动输入时奇异性分析  39-42
    3.3.2 移动自由度为主动输入时奇异性分析  42-43
  3.4 3-CRPu 并联机器人机构灵巧性分析  43-44
    3.4.1 转动自由度为主动输入时灵巧性分析  43-44
    3.4.2 移动自由度为主动输入时灵巧性分析  44
  3.5 3-CRPu 并联机器人机构尺度综合  44-48
  3.6 本章小结  48-50
第4章 3-CRPu 并联机器人虚拟样机设计  50-62
  4.1 概述  50-51
  4.2 3-CRPu 并联机器人虚拟样机设计  51-56
    4.2.1 并联机器人结构分析  51-52
    4.2.2 总体方案设计和广义模块划分  52-53
    4.2.3 虚拟样机零部件协同设计  53-54
    4.2.4 总装设计  54-55
    4.2.5 零部件的互换设计  55-56
  4.3 3-CRPu 并联机器人虚拟样机仿真  56-61
    4.3.1 3-CRPu 并联机器人虚拟样机运动学仿真  56-58
    4.3.2 3-CRPu 并联机器人虚拟样机动力学仿真  58-61
  4.4 本章小结  61-62
第5章 3-CRPu 并联机器人实体样机  62-68
  5.1 概述  62
  5.2 3-CRPu 并联机器人机械系统设计  62-63
  5.3 3-CRPu 并联机器人控制系统设计  63-65
    5.3.1 控制系统硬件设计  63-64
    5.3.2 控制系统软件设计  64-65
  5.4 并联机器人实验  65-67
  5.5 本章小结  67-68
第6章结论  68-70
  6.1 结论  68-69
  6.2 展望  69-70
参考文献  70-76
缩略语词汇表  76-77
致谢  77-78
攻读硕士学位期间的研究成果  78

新型3-CRPu纯平动并联机器人设计及分析

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