delta并联机器人的运动规划研究

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1、哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第1章绪论1.1课题研究背景和意义迫于大规模的生产需求，工业机器人被视为解决规模生产和制造业革命的重要突破点。在当今实际的工业生产和制造环节中，工业机器人担负起生产自动化，智能化和模块化的重要责任。结合最新的通信科学技术和计算机软件技术等，机器人的协同合作使得规模化和单位化生产制造被广泛地服务于各行各业中。这包括传统的汽车制造行业，高端的航天航空制造业，消费类电子的封装行业，还有最近比较火爆的现代物流的设计和建设。工业机器人几乎分担了所有的工业生产环节的作业任务，包括工件的加工处理，成品的搬运作业、包装和安装作业、工件验伤检测、汽车

2、的焊接和喷涂、钢板材[1]料的切割作业、食品生产过程中的分拣和包装等等环节。工业机器人已经成为高效率、低成本、高质量生产的重要法宝，它是现代化制造业的重要工具之一。工业机器人的发展水平和周边配套的运用程度已经成为衡量一个国家先进制造业综合能力的重要标准之一。现代工业生产中运用的工业机器人大致可以分为串联工业机器人和并联工业机器人和混联工业机器人。如下图1-1所示是两个经典的串联工业机器人和并联工业机器人。a)串联机器人b)并联机器人图1-1典型工业机器人这两类工业机器人在工业上已经大规模地装配和应用。针对不同的工业-1-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文操作，它们各

3、有优缺点和擅长的工作领域。串并联工业机器人的特性详见下表1-1，表1-1串联和并联工业机器人的特性串联机器人并联机器人较大的工作空间高速度高惯性高加速度低刚度低惯性低速读高刚度低加速度较小的工作空间大负载小负载如图1-2所示，上图中由外移动和转动副并联在一起的并联机械手，它是目前工业中应用最多的Delta类并联机械手。它是由R.Clavel博士和他的团队于1987年发明的Delta机器人为原型，它含有三幅对称的运动支链，它们通过从动臂和主动臂与基座相连，其中主动臂转动是由关节处的电机的旋转传导，实现了机器人末端在笛卡尔坐标空间下三个方向的平移运动，在基座的中心位

4、置还有一个电机负责旋转运功，从而实现了平面内角度的调节，[2]总共四个自由度的Delta机器人。详细图解请看图1-2。静平台驱动电机主动臂摄像头从动臂旋转轴动平台图1-2哈工大Delta机器人并联工业机器人具有结构紧凑、刚度大、拾放操作速度快、重复定位准确-2-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文度高、承受负载能力强等一系列的优点，所以高速高精度的运用情况下，它[2]必定受到广泛的关注。如上图1-2所示为著名的Delta机器人是并联机器人[1]成功应用推广的典型例子，其虽然只有三个平动自由度，却拥有高加速、高速特性，特别适用于快速抓取的拾放操作(PPO)，它在工业应用

5、中取得了巨大的成功，尤其在食品包装和分拣领域广泛应用。如下图1-3所示的各种运用场景。a)ABB公司的IRB340Sb)SIG公司的C23c)Diamond电池分拣d)H4机械手抓取桌球e)Delta类手术机器人f)ADEPTS650H图1-3Delta类机器人运用领域Delta类机械手已有许多的成功应用实例。一些国外公司如Yaskawa，SIGPack，Fanuc，ABB，Kawasaki，AdeptTechnology等著名的机器人公司，还有国内天津大学（Diamond）高速机械手等都研发了类似并联机器人，这些-3-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文Delta类

6、机器人的各项性能已经非常先进，有效的提高了生产效率。它们主要从事拾放操作，典型运用集中在分拣包装操作、汽车零部件领域、食品领域、[2]微电子封装领域、3C行业、医疗器械等领域。随着对工业机器人操作速度提高需求越来越强，在高速模式下，出现机器人拾放精度降低、振动强烈、机械部件磨损增大等一系列问题。最终导致机器人使用寿命大幅简短，增加企业成本。本课题对Delta并联机器人运动规划进行研究，为了提高Delta机器人的操作速度和控制等各种性能。发挥Delta机器人最大的性能，提高生产效率。1.2国内外研究现状及分析[23]早些年的Delta并联机器人的研究集中在基础领域

7、。比如运动学的正逆解、工作空间的计算、动力学建模等等。最近几年，Delta并联机器人的PPO操作研究成为了关键部分，如今不管在学术领域还是工业领域都对如何提高PPO操作的高速表现的话题充满兴趣。作为一个简要的总结，到现在为止，大概有4种常用的方法来改善Delta并联机器人的高速运算性能。第一，重量轻，刚度高的连接杆。例如ABB的FlexPicker、Fanuc的M-3iA等。第[24-28][29]二，运动学和动力学维度综合。第三，基于模型控制器。第四，轨迹规划。通过适当的规划，平稳平滑而且高速PPO路径可以设计完成，基于能[30][31][32-35]源效率，

8、减少振动，或最佳时间等指