【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。并聯(lián)機器人因其高速、高加速度的性能優(yōu)勢,能夠提高作業(yè)的效率,成為工業(yè)拾放操作的熱門之選。然而傳統(tǒng)的并聯(lián)機器人具有一個根本性的缺陷: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)機器人,尤其是在拾放操作方面的應用。本文面向平面三、四自由度拾放操作,提出了一類主動關節(jié)同軸的并聯(lián)機器人,不僅保留了并聯(lián)機器人高動態(tài)性能的優(yōu)勢,并且其工作空間大大拓展,達到了接近串聯(lián)機器人工作空間的水平。由此,本文就該驅(qū)動同軸式并聯(lián)機器人展開構型設計、運動學與動力學分析、優(yōu)化設計和運動控制等研究。論文的主要內(nèi)容包括:本文以一款驅(qū)動同軸三自由度平面運動并聯(lián)機器人V3為主要研究對象。首先,對其進行了建模與分析,包括:從機器人閉鏈方程出發(fā)對機器人的運動學進行推導與分析,基于反向運動學進行靈巧工作空間分析,利用速度雅可比矩陣進行奇異性分析,以及利用虛功原理建立剛體動力學模型。接著,基于V3并聯(lián)機器人的構型提出了一款新型的能夠?qū)崿F(xiàn)三平動一轉(zhuǎn)動的四自由度驅(qū)動同軸并聯(lián)機器人T4。該機器人為V3并聯(lián)機器人的升級設計,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。通過改變原有支鏈構型,并增加新的提拉支鏈,使其克服了V3并聯(lián)機器人末端執(zhí)行器不能沿豎直方向平動和承重能力差的缺點。隨后,本文從T4并聯(lián)機器人閉鏈方程出發(fā)對機器人的運動學進行推導與分析,基于反向運動學得到了機器人靈巧工作空間的解析表達式,利用速度雅可比矩陣奇異性進行了分析。針對高速拾放操作的工業(yè)應用需求提出了三種機器人機構的優(yōu)化設計方法,并對V3并聯(lián)機器人機構進行了優(yōu)化設計,從而獲得最優(yōu)的桿件幾何參數(shù)。這三種優(yōu)化設計方法分別以靈巧性指標、速度指標、精度指標、加速度指標、電機輸出功率指標和彎曲剛度指標中的若干項為約束條件,并均以最大化滿足性能指標要求的工作空間為目標。通過仿真實驗驗證了優(yōu)化設計的有效性,各最優(yōu)設計的性能都得到了極大改善。在考慮機器人桿件運動柔性時,本文對V3并聯(lián)機器人系統(tǒng)進行了結構控制一體化設計的研究。效率是高速拾放操作的關鍵需求。為了達到高加速度通常都會減輕運動部件的質(zhì)量,但是這會導致桿件的柔性效應增加。由于結構參數(shù)與控制參數(shù)對機器人系統(tǒng)整體性能有耦合影響,一體化設計的方法被用于改進V3并聯(lián)機器人系統(tǒng)整體性能。有限元方法被用來推導動力學模型。機器人閉環(huán)系統(tǒng)采用比例微分控制策略。針對高速拾放操作的應用需求,本文提出了一種基于操作效率的一體化設計方法。該方法以精度作為性能約束,通過求解一體化設計問題同時優(yōu)化結構和控制參數(shù)。仿真實驗結果顯示一體化設計方法在保證精度同時,使機器人系統(tǒng)的操作效率得到了提升。結合機器人的結構特征和機構優(yōu)化設計后奇異位形的分布情況,研究了無奇異的路徑規(guī)劃策略。該策略能夠通過起始點與終止點的末端執(zhí)行器的位置與姿態(tài)信息判斷能否進行無奇異路徑規(guī)劃和選擇路徑的類型。最后,本文研制了V3并聯(lián)機器人系統(tǒng)的樣機。制造該機器人系統(tǒng)樣機采用了工業(yè)自動化設備中常用的零部件。以該機器人系統(tǒng)樣機為基礎進行了實驗研究,實驗結果表明該樣機能夠應用于高速拾放操作以及機構優(yōu)化設計的有效性。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP242

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