新型6-pts并联机器人全域性能及其优化研究

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1、硕士论文新型6-PTS并联机器人全域性能及其优化研究1绪论1．1引言随着经济的发展，人类生活不断进步，所需商品的种类和规模越来越大，导致生产效率需要提高。机器人的诞生提高了商品生产过程中的自动化程度，满足了人类生活的需要，从而使其成为先进生产工具的代表。短短40年时间，机器人已拥有千万种构型，成为现代社会先进生产力发展的必然产物，在各个领域的众多方面起着不可磨灭的作用。随着科学技术的迅猛发展，机器人的相对价格不断降低，而且由于其速度更快、操作更准确、更富有柔性等优点【lJ，机器人在工业领域的应用更加有效。目前，在各个领域广泛使用的

2、机器人大都是单支链的，称为串联机器人，然而还有另外一种几个并行的运动支链同时工作的机器人，称为并联机器人【2吲。并联机器人是一类全新的机器人，其末端执行器同时由多个并联的运动链支撑，所有驱动器可以同时置于基座上。并联机器人特殊的结构布局决定了其一系列的优势，即具有较大的刚度、较强的承载能力、较小的工作误差、较高的精度、较好的动力学性能、易控制等，促使并联机器人逐渐在国内外机床行业占领市场，成为2l世纪高速轻型数控加工的主力装备【4】。1．2并联机器人及其应用1．2．1并联机器人概述20世纪中期，人们对并联机器人就有了第一次认识。1

3、949年，GoughN提出了一种采用六个相同的运动链连接上下平台，分支上的伸缩连杆作为驱动关节，分支两端分别采用球面副与两平台连接的装置，此装置被用于轮胎磨损检测。1965年，Stewart[61对这种机构进行了研究，将其推广并应用到飞行模拟器，后来人们称这种并联机构为Stewart机构，并得到最为广泛的应用。1978年Hunt教授提出将Stewart并联机构作为机器人机构。1979年，McCallion和Pham将Stewart机构用于研制装配机器人，成功研制出世界上第一台并联机器人，拉开了并联机器人研究的序幕。90年代以来，并

4、联机器人的研究受到了国内外学者越来越多的关注，并成为机器人学研究领域的一个重要分支。并联机器人由多个运动链组成，因此这种机器人的拓扑结构中包含一个或几个闭环，闭环的特性使一些关节点的坐标相互关联【．71。为此，很多机器人研究者试着给并联机器人机构一个合适的定义，Vischer[8】定义有一个或几个闭环组成的关节点坐标相互关联的机器人机构为并联机器人。黄真教授定义由固定平台到运动平台用两个或两个以上运动支链相连接，且驱动器分布在两个或两个以上分支运动支链上的多自由度机构为并l绪论硕士论文联机器人。从结构上看，Stewart并联机构是

5、用6根运动支链将上下两平台联接而形成的，这6根运动支链都可以独立、自由地运动和伸缩，由于各运动链与上下平台联接的关节分别是球面副和虎克铰，上下平台可以进行6个独立运动(即有6个自由度)，在三维空间可以作任意方向的移动和绕任何方向和位置的轴线转动。由于其特殊的结构特点，这种新型的并联机构具有传统串联机构无法比拟的高精度、大刚度、大承载能力和小运动惯性，与串联机器人在结构、功能及性能上互补，从而扩大了机器人应用领域的范围。1．2．2并联机器人的应用进入八十年代以后，随着工业机器人应用的发展，机器人的研究逐渐成为热点，工业机器人结构也越

6、来越多样化，人们开始认识到并联机构运动结构的重要性。在随后的十多年间，Warldron、Roth、Kerr、Hunt、Fichter、Gosselin等对并联机器人和并联机构的理论进行了广泛深入的研究，并取得了不少研究成果14J。例如，Clavel在1986年提出硕士论文新型6-PTS并联机器人全域性能及其优化研究Tsai在1996年提出的Tsai机构。后来，DELTA机构被瑞士Demaurex公司购买并将其产业化后应用于巧克力、饼干、面包等多种食品的包装，如图1．1所示。国际著名机器人制造商ABB公司在1999年推出的IRB34

7、0FlePickerDelta操作器，此机构用于装配计算机视觉系统，后来又成功应用于食品、医疗和电子行业，如图1．2所示。我国并联机构的研究起步较晚，直到20世纪90年代，这项技术才受到重视。1991年燕山大学的黄真教授研制出我国第一台并联机器人实验室样机，如图1．3所示。1994年，燕山大学又成功研制了6自由度机器人误差补偿器，为我国并联机器人的研究奠定了良好的基础，如图1．4。此外，我国～些高校和研究所也为并联机器人方面的研究做出了突出贡献。例如，哈尔滨工业大学、清华大学、天津大学、沈阳自动化研究所等。通常情况下，并联机器人因

8、没有关节误差累积而被看作是高精度的机器人[9-10]，因此并联机器人在需要较高精度、较大刚度、较强承载能力及较小工作空间的领域比串联机器人更有应用价值和发展潜力。飞行模拟器1965年，Stewart首次提出一种6条腿连接固定平台和运动平台的6自由度