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基于虚拟样机技术的6-SPS并联机器人运动学和动力学的研究及参数优化

作　者: 唐红品
导　师: 郭钢
学　校: 南京理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 6-SPS并联机器人工作空间体积影响因子运动学正逆解样条曲线函数参数化优化设计
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 55次
引　用: 1次
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内容摘要

6-SPS并联机器人具有结构刚度大、承载能力强、运动精度高、位置反解简单等优点,不仅应用在各个领域,也是国内外学者研究的热点,其运动学和动力学及优化对机器人及其控制的研究提供了主要的理论意义。本文在传统Stewart平台的基础上,进行了结构改进,设计出结构对称的6-SPS并联机器人结构,利用MATLAB软件绘制出考虑杆件干涉与否的并联机器人的工作空间,提出影响工作空间体积的工作体积影响因子。论文重点研究了应用虚拟样机技术求解并联机器人运动学的正逆解,在动平台末端中点添加点驱动,直接测量6根杆件的位移-时间曲线得到运动学逆解。利用ADAMS/View提供的强大后处理功能,把测量杆件的轨迹曲线转化成样条曲线函数后作为已知的函数加在移动副上,然后测量动平台末端轨迹曲线,得到运动学正解。对机构进行速度和受力分析,得出二者之间存在着对偶关系。接着根据虚功原理分析机构算出虚位移矢量,在运动学的基础上研究结构的动力学,列出多刚体系统拉格朗日动力学方程,仿真并绘制了各个杆件的力、力矩、速度、加速度曲线图,能直观地看到各杆件的运动情况。最后,选择结构的关键结构点作为参数化设计变量,以驱动杆件输出的最大驱动力为目标函数,进行多次重复优化设计试验,得到了驱动力的最大值,和取得最大值时的参数点。不仅优化了机构性能,还优化了机构。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-14
  1.1 6-SPS并联机器人的研究现状与发展  8
  1.2 6-SPS并联机器人在国内外的应用  8-10
  1.3 虚拟样机技术简介  10-13
    1.3.1 虚拟样机设计与传统设计的比较  10-11
    1.3.2 虚拟样机技术的应用  11-12
    1.3.3 虚拟样机技术的研究范围  12-13
    1.3.4 虚拟样机技术的理论基础  13
  1.4 论文的主要研究内容  13-14
2 6-SPS并联机器人的工作空间分析  14-25
  2.1 6-SPS并联机器人的结构设计  14-16
    2.1.1 工作空间的定义  15
    2.1.2 工作空间的求解方法  15-16
  2.2 6-SPS并联机器人的工作空间的求解  16-22
    2.2.1 工作空间的限制条件  16
    2.2.2 编制程序的基本思想  16-19
    2.2.3 程序运行结果  19-22
  2.3 结构参数对工作空间的影响  22-24
    2.3.1 球铰摆角θ_(Cmax)和θ_(Cmin)对工作空间体积的影响  23
    2.3.2 各杆件极限长度l_(max)和l_(min)对工作空间大小的影响  23-24
    2.3.3 杆件直径对工作空间的影响  24
  2.4 本章小结  24-25
3 6-SPS并联机器人的运动学分析  25-39
  3.1 运动学介绍  25-26
    3.1.1 运动学研究内容  25
    3.1.2 并联机器人的求解方法和进展  25-26
  3.2 6-SPS并联结构机器人模型的导入和检验  26-30
    3.2.1 样机模型的简化  26
    3.2.2 6-SPS并联机器人模型的导入  26-29
    3.2.3 自由度公式计算  29-30
  3.3 求解机构的正解和逆解  30-32
    3.3.1 6-SPS并联机器人的位姿逆解  31-32
    3.3.2 6-SPS并联机器人位姿正解  32
  3.4 运用虚拟样机技术求解6-SPS并联机器人运动学正解和逆解  32-38
    3.4.1 角度传感器的设置  32-33
    3.4.2 6-SPS并联机器人运动学正逆解的求解方法和思路  33-34
    3.4.3 6-SPS并联机器人运动学逆解  34-35
    3.4.4 6-SPS并联机器人运动学正解  35-38
  3.5 本章小结  38-39
4 6-SPS并联机器人的动力学分析  39-51
  4.1 动力学概述  39-43
    4.1.1 动力学求解主要方法  39-40
    4.1.2 动力学的求解问题  40
    4.1.3 6-SPS并联机器人的速度分析  40-41
    4.1.4 6-SPS并联机器人的受力分析  41-43
  4.2 6-SPS并联机器人的静力学分析  43
  4.3 ADAMS环境下6-SPS并联机器人的动力学仿真  43-50
    4.3.1 基于拉格朗日方程的动力学建模  43-45
    4.3.2 动力学仿真分析  45-50
    4.3.3 动力学仿真应注意的问题  50
  4.4 本章小结  50-51
5 6-SPS并联机器人的参数优化  51-67
  5.1 ADAMS/View参数化介绍  51-52
    5.1.1 参数化设计技术的介绍  51
    5.1.2 ADAMS/View的参数化方法  51-52
    5.1.3 ADAMS/View的参数化分析方式  52
  5.2 6-SPS并联机器人的参数化设计  52-61
    5.2.1 定义设计变量  52-53
    5.2.2 建立目标函数  53-54
    5.2.3 创建约束函数  54
    5.2.4 设计研究  54-61
  5.3 6-SPS并联机器人的优化设计  61-66
    5.3.1 优化方法的选取  61-62
    5.3.2 广义简约梯度法的介绍  62
    5.3.3 单参数优化设计结果  62-64
    5.3.4 多参数优化设计结果  64-66
  5.4 本章小结  66-67
6 总结与展望  67-69
致谢  69-70
参考文献  70-74
附录  74

基于虚拟样机技术的6-SPS并联机器人运动学和动力学的研究及参数优化

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