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1、
过约束五自由度混联机器人机构设计理论研究
具有两移动一转动自由度 (2T1R) 和两转动一移动自由度 (2R1T) 过约束并联
机构 , 具有结构简单的特点 , 已成为少自由度并联机构中的研究重点。 基于 3 自由
度过约束并联机构所构造的过约束 5 自由度混联机器人 , 融合了串联机器人工作
空间大、灵活性好以及并联机构刚度大、承载能力强的特点 , 被广泛应用于空间
复杂曲面的零部件加工领域。
本文针对航空航天、汽车、船舶等领域复杂曲面加工任务要求 , 开展过约束
5 自由度混联机器人机构设计及理
2、论研究。主要研究内容如下 : 借助螺旋理论对
组成少自由度并联机构的常用典型分支进行了约束分析 , 并按分支的平面与空间
运动特点对其进行分类 ; 在 2R1T并联机构中 , 其中具有 2 条连续转轴的并联机构
运动解耦性好 , 使其运动学模型简单 , 易于得到机构的运动学解析解 , 故对转动自
由度转轴与分支结构约束的关系进行分析 ; 对刚体绕 2 轴线连续转动的情况进行
研究 , 旨在得到分支布置对运动副的影响。
对综合出的 2T1R平面并联机构 3PRR进行结构改进 , 增设 1 条 PRR分支 , 组成
驱动冗余
3、并联机构。 为增加了机器人的可研究性 , 对机构动平台拆分设计 , 使其成
为易于实现变胞机构的运动冗余平面并联机构 , 机构的变胞性有助于实现机构运
动冗余和驱动冗余模式的切换。
基于得到的 2PRR~2+R平面并联机构构造出新型 5 自由度混联机器人构型 ,
并对其并联部分进行了系统的运动学、动力学及刚度分析 , 基于灵活性指标完成
了机构的尺寸优化 , 对机构分支进行了结构拓扑优化和机械结构设计并完成样机
研制。根据 2R1T并联机构转动自由度转轴位置 , 对 2R1T并联机构进行分类 , 给出
构造 5
4、自由度混联机器人构型原则 , 然后基于综合出的具有 2 条连续转轴的
2RPU/UPR并联机构 , 给出 5 自由度混联机器人构型方案。
根据机构的转轴性质 , 提出构造混联机器人等效串联模型法 , 借助混联机器
人的等效串联模型 , 对机构进行了位置、 速度和加速度正反解分析 ; 基于运动学模
型对混联机器人进行了动力学分析、刚度分析和仿真验证 ; 提出驱动力稳定性性
能指标 , 结合力传递性和动平台转动能力性能指标 , 对 2RPU/UPR并联机构进行了
尺寸优化。最后 , 基于理论分析结果完成 5 自由度混联机
5、器人的结构设计和样机
研制。
在 2R1T位置型 2UPU/SP并联机构基础上 , 串接 2 自由度 AC调姿头 , 组成 5
自由度混联机器人。分析了 2UPU/SP并联机构 2 转轴的性质 , 结果显示该机构具
有 2 条顺序连续转轴 ; 建立了 2UPU/SP并联机构的运动学和动力学模型 , 并对其进
行了仿真验证 ; 基于运动 / 力传递功率性能指标并综合考虑规划的工作空间 , 确定
了 2UPU/SP并联机构关键尺寸 ; 最后 , 建立了 2 种分支形式的 5 自由度混联机器人三维模型 , 并列出混联机器人模块化配置方案。
对设计的 3 种混联机器人进行对比分析 , 以 2RPU/UPR+R+P5自由度混联机器人为例展开实验研究。基于西班牙 FAGOR CNC8070系统搭建 2RPU/UPR+R+P 自5
由度混联机器人控制系统 , 实现混联机器人 5 轴联动。
搭建加载平台实现 2RPU/UPR并联机构侧向刚度对比实验 , 基于遗传算法辨
识分支杆长零点误差 , 并完成球冠零件的加工实验。
过约束五自由度混联机器人机构设计理论研究
