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T3R四自由度并联机器人的运动分析与结构设计.doc
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T3R四自由度并联机器人的运动分析与结构设计.doc
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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
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1 绪论
人类千百年来对器械自动化的追求,促使了机器人的产生和发展。自从1961
年美国推出第一台工业机器人以来,机器人得到了迅速的发展。广泛应用于工业
各部门以及服务、医疗、卫生、娱乐等许多方面,对人类的生活产生了深远的影
响。现代所说的机器人多指工业机器人,大都是由基座、腰部(肩部)、大臂、
小臂、腕部和手部构成,大臂小臂以串联形式连接,因而也称为串联机器人,目
前关于机器人的研究大部分集中于这一领域。就在串联机器人蓬勃发展的时候,
又出现了一类全新的机器人——并联机器人。它作为串联式机器人强有力的补充,
扩大了整个机器人的应用范围,引起机器人学理论界和工程界的广泛关注,成为
机器人研究的主要研究热点之一。
对并联机构的研究最早可追溯到 19 世纪,1949 年 Gough 采用并联机构制作
了轮胎检测装置,1965 年英国高级工程师 Stewart 发表了名为“A Platform with
Six Degrees of Freedom”的论文
[2]
,引起了广泛的注意,从而奠定了他在空间
并联机构中的鼻祖地位,相应的平台称为 Stewart 平台(如图 1.1 所示)。
Stewart 平台机构由上下平台及 6 根支杆构成,这 6 根支杆可以独立地上下伸缩,
它分别由球铰和虎克铰与上下平台联接。将下平台固定,则上平台就可进行 6 个
自由度的独立运动,在三维空间可以做任意方向的移动和绕任何方向、位置的轴
线转动。
图 1.1 Stewart 平台结构简图
1978 年澳大利亚机构学教授Hunt提出可以将并联机构作为机器人机构;随
后,Maccallion和Pham.D.T首次将该机构按操作器设计,成功的将Stewart机构
用于装配生产线,标志着真正意义上的并联机器人的诞生,从此推动了并联机器
人发展的历史。此后有众多的研究工作者展开了对并联机器人的研究,取得了大
量的研究成果。相对于串联机器人来说并联机器人具有
[1]
以下优点:①与串联机
构相比,刚度大,结构稳定;②承载能力强;③精度高;④运动惯性小;⑤在位
置求解上,串联机构正解容易,反解困难,而并联机器人正解困难反解容易。由
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