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柔性关节及3-DOF微动平面并联机器人设计与分析

作　者: 刘平安
导　师: 方跃法
学　校: 北京交通大学
专　业: 载运工具运用工程
关键词: 柔性关节微操作三自由度平面机构并联机器人运动学
分类号: TP242
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 519次
引　用: 6次
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内容摘要

柔性铰链和并联机器人由于自身所具有的明显特性,在微操作领域正被广泛地得到应用。三自由度(3-DOF)平面并联机器人是并联机器人家族中的重要组成部分,由于结构简单、控制方便和制造成本低廉等原因,在微操作领域有着重要的应用前景和开发价值。本文主要以柔性关节和3-DOF平面并联机器人为对象,研究其在微动机器人中的设计和分析,对开发新型微操作并联机器人系统具有重要的意义。本文所开展的主要研究工作如下:首先,文章讨论了3-DOF平面并联机器人的类型分析,建立了基于正解运动学模型的分类。与传统分类方法比较,具有方法简单实用,类型特性鲜明。并介绍了各类型的运动学正、反解模型的推导及求解过程。然后,针对微操作机器人中的关键技术-微动柔性关节设计问题,提出了两种新型的微动柔性关节,即余弦曲线轮廓和双曲余弦曲线轮廓微动柔性关节。应用Castigliano’s Displacement Theorem(卡氏位移定理),即应变能理论推导出它们的柔度系数矩阵中各元素的解析表达式。并通过有限元分析手段,对其各种工作载荷作用下的应力、变形规律进行研究,将它们与最常用的微动关节-半圆弧微动柔性关节进行比较,得出在不同性质载荷作用下各自的柔性性能,验证其有效性。在此基础上,考虑非功能方向上的变形影响,提出了微动关节的变形叠加过程,推导出了微动关节运动传递过程中的坐标变换矩阵。同时,以(?)RR型3-DOF平面并联微操作机器人为例,介绍了微动机器人的运动学和动力学建模及其求解问题。分别通过微分运动简化法、闭环运动链矢量法推导出系统简化的线性运动学和动力学模型;采用伪刚体法、变形叠加法结合系统运动学方程和静力平衡方程,建立其动态-静力模型即动-静态模型,介绍了详细的求解过程和结果,说明了其运动精度差异。最后,针对设计制作出的3-DOF平面并联微操作机器人,通过采用简化线性方法、有限元分析方法和实验测定手段建立线性化运动学模型,分别得到了3-DOF平面并联微操作机器人的运动Jacobian矩阵。在此基础上,求出三个对应的输出平台工作空间,通过分析和比较,验证本研究的有效性。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-12
1 绪论  12-28
  1.1 并联机器人  12-15
  1.2 少自由度并联机器人和3-DOF并联机器人  15-18
    1.2.1 少自由度并联机器人  15-16
    1.2.2 3-DOF平面并联机器人  16-18
  1.3 微操作技术与微动并联机器人  18-25
    1.3.1 微操作技术  18-20
    1.3.2 柔性铰链研究  20-22
    1.3.3 微动并联机器人研究  22-24
    1.3.4 微动并联机器人应用开发现状  24-25
  1.4 课题的提出及目的  25-26
  1.5 课题研究内容及论文结构  26-28
2 一般3-DOF平面并联机器人运动学与类型分析  28-50
  2.1 引言  28
  2.2 3-DOF平面并联机器人类型分析的Merlet方法  28-30
  2.3 基于运动学模型的3-DOF平面并联机器人类型分析  30-35
    2.3.1 3-DOF平面并联机器人的类型分析  31-33
    2.3.2 3-DOF平面并联机器人的运动学模型  33-35
  2.4 类型一的3-DOF平面并联机器人运动学求解  35-41
    2.4.1 运动学正解模型  35-40
    2.4.2 运动学反解模型  40-41
  2.5 类型二的3-DOF平面并联机器人运动学求解  41-48
    2.5.1 类型二3-DOF平面并联机器人  42
    2.5.2 运动学正解模型  42-47
    2.5.3 运动学反解模型  47-48
    2.5.4 计算实例  48
  2.6 本章小结  48-50
3 微动机器人柔性关节的解析运动学分析  50-76
  3.1 引言  50
  3.2 几种典型的微动柔性关节及柔性运动链  50-54
  3.3 两种新型曲线轮廓柔性关节  54-55
  3.4 柔性关节的解析运动学分析方法  55-57
  3.5 利用卡氏第二位移原理对柔性关节柔度建模  57-59
  3.6 不同轮廓曲线的微动关节柔度表达式推导  59-68
    3.6.1 两对称半园弧曲线作为柔性关节轮廓时的柔度计算  59-62
    3.6.2 两对称余弦曲线作为柔性关节轮廓时的柔度计算  62-64
    3.6.3 两对称双曲余弦曲线作为柔性关节轮廓时的柔度计算  64-68
  3.7 三种不同轮廓曲线微动关节柔性与几何尺寸之间关系比较  68-72
  3.8 变形叠加法求解柔性关节的坐标变换矩阵  72-74
  3.9 本章小结  74-76
4 微动机器人柔性关节的有限元分析模型  76-97
  4.1 引言  76-77
  4.2 第一种受载情况下的变形分析  77-82
  4.3 第二种受载情况下的变形分析  82-87
  4.4 第三种受载情况下的变形分析  87-91
  4.5 第四种受载情况下的变形分析  91-95
  4.6 本章小结  95-97
5 微操作3-DOF平面并联机器人运动学、动力学解析建模  97-135
  5.1 引言  97-98
  5.2 伪刚体法对3-DOF平面并联机器人动力学建模  98-103
    5.2.1 反解动力学  98-102
    5.2.2 正解动力学  102-103
  5.3 整体弹性关节平面并联机器人运动学-静力平衡方程  103-106
  5.4 利用变形叠加法对微动机器人的力学平衡方程的推导  106-109
  5.5 微动机器人的运动学方程的推导  109-117
  5.6 3-DOF平面并联微动机器人的运动学-力学方程的求解  117-121
  5.7 微动并联机器人的简化建模方法1-微分运动法  121-125
    5.7.1 微动机器人的通用运动学建模  122-123
    5.7.2 3-DOF微动机器人的动力学建模  123-125
    5.7.3 计算实例  125
  5.8 微动并联机器人的简化建模方法2-环路矢量法  125-134
    5.8.1 闭环运动链与运动学建模  125-133
    5.8.2 简化的动力学建模  133-134
  5.9 本章小结  134-135
6 微操作3-DOF平面并联机器人运动学有限元模型与实验模型  135-141
  6.1 引言  135-136
  6.2 微动机器人有限元建模与实验测试建模  136-138
    6.2.1 有限元建模  136-137
    6.2.2 实验测试建模  137-138
  6.3 解析Jacobian、有限元Jacobian与实验Jacobian矩阵的比较  138-140
  6.4 本章小结  140-141
7 结论与展望  141-143
  7.1 结论  141-142
  7.2 展望  142-143
参考文献  143-151
附录A  151-154
附录B  154-164
作者简历  164-167
学位论文数据集  167

柔性关节及3-DOF微动平面并联机器人设计与分析

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