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1T3R四自由度并联机器人的运动分析与结构设计

摘    要

并联机构作为一类机器人机构，具有精度高、刚度大、速度快和承载能力强等优点，与目前广泛应用的串联机器人在应用上构成互补关系，扩大了整个机器人的应用领域。6自由度并联机器人由于结构复杂、难以控制，很多关键技术还未得到解决，因此在工程实际中还没有得到广泛应用。少自由度并联机器人由于结构简单、控制简便、造价低并能够满足许多少6自由度应用场合的要求，目前已经成为机器人研究的一个新热点。
本论文以1-PS-3-SPS四自由度并联机器人为研究对象，首先从可用于设计1T3R四自由度并联机器人的运动支链中，利用少自由度并联机器人拓扑结构设计的一般方法和步骤，通过组合不同的运动支链进行对称结构和非对称结构的1T3R并联机器人拓扑结构设计。其次，在求解出并联机器人的反解方程的基础上，采用基于结构参数约束的总空间搜索方法，选择使工作空间最大的结构参数比例，并对并联机器人的各零部件进行结构设计，选择满足条件的零部件，画出装配图。

关键词：并联机器人， 拓扑结构， 工作空间

ABSTRACT

As a parallel robot, institutions have many advantages of high precision, stiffness, high speed, carrying capacity and so on. The current extensive application of the series on the application of robots in a complementary relationship, and expand the entire robot applications. 6 degrees of freedom parallel robot because of complex structure, difficult to control, many key technologies have not yet been resolved, it works in practice has not been widely used. Because of simple structure, control is simple, low cost and less able to meet many of the 6-DOF applications requirements; Less freedom of Parallel Robot has become a new hot spot for research.
This paper takes the 1-PS-3-SPS four degrees of freedom for parallel robot for research. First, from 1T3R which can be used to design the four degrees of freedom of movement parallel robot branch in the chain, using fewer degrees of freedom parallel robot design topology of the general approach And steps through the combination of different sports-chain structure and symmetry of the asymmetrical structure 1T3R parallel robot topology design. Secondly, the solution to the anti-parallel robot on the basis of the equation, based on structural parameters of the space constraints of the search methods, the choice of working space largest proportion of the structural parameters and parallel robot parts of the structural design, then choose the parts and components which are to meet the conditions, painted assembly.

Keywords: Parallel Robot, Topology, Working space
 

目录

摘    要 I
ABSTRACT II
1  绪论………………………………………………………………………………………….1
1.1 并联机器人的研究现状 2
1.11 构型设计及自由度配置 2
1.12　机构运动学理论及研究方法 3
1.13　动力学分析及建模 3
1.2 并联机器人的应用 4
1.3 论文的选题意义和研究内容…………………………………………………………………6
1.31 课题的选题意义…………………………………………………………………………….6
1.32 课题的研究内容………………………………….................................6
2  少自由度并联机器人拓扑结构设计方法 7
2.1 并联机器人的基本结构元素 7
2.11 并联机器人的运动副及其自由度 8
2.12 并联机器人的驱动方式 9
2.13并联机器人的平台类型和铰链的布置 9
2.14 并联机器人的运动支链及其自由度 9
2.2 并联机器人拓扑结构设计的一般方法和步骤 13
2.21 并联机器人拓扑结构设计的一般步骤 13
2.22 运动支链数目的确定 14
2.23 主动副的选择和确定 15
3  1T3R四自由度并联机器人拓扑结构设计 16
3.1 四自由度运动连接1T3R的结构形式和分类 16
3.2 四自由度1T3R并联机器人机构的设计 18
3.3 四自由度并联机器人机构优化设计和方案优选 19
3.31 驱动关节的确定及选择 19
3.32 冗余自由度设计 20
4  1-PS-3-SPS并联机器人结构参数对工作空间的影响 21
4.1 运动学反解方程 21
4.2 Jacobean矩阵 22
4.3 结构参数约束条件下的工作空间确定 23
4.4 结构参数对工作空间的影响 25
4.41 最大杆长和最小杆长 、 对工作空间的影响 26
4.42 动、静平台外接圆半径 、 对工作空间的影响 26
4.43 静平台外接圆半径 和最大杆长 比值对工作空间的影响 27
4.44 球铰的最大转角(许用转角)对工作空间的影响 27
5  1T3R四自由度并联机器人的零部件设计 29
5.1 伸缩杆的设计 29
5.2 球铰链的设计 29
5.3 虎克铰链的设计 30
6 结论 32
致谢 33
参考文献 34