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试议运动学一种直线电机驱动六棱锥式并联机器人

收藏本文 2024-04-12 点赞:32484 浏览:146889 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:并联机器人因其具有承载能力强、积累误差小、动态响应快等优点,逐渐成为目前国内外探讨的热点之一。本论文提出一种由直线电机驱动,导轨呈六棱锥式倾斜布置的新型并联机器人结构,运用仿真浅析与实验验证相结合的策略对并联机器人机构学、运动学和动力学等关键论述进行了深入探讨,旨在深化并联机器人相关论述和扩大工程化运用范围。本论文主要展开了以下几个方面的论述和实验探讨:(1)提出了一种直线电机驱动的六棱锥式并联机器人总体案例。以驱动方式、铰链组成和导轨布置三方面比较浅析了Stewart和Hexagpde两种典型结构并联机器人的特点。以机构的最大转角和最高运动频率为基本性能指标,确定了由课题组自行研制的直线电机驱动、导轨呈六棱锥式倾斜布置的并联机器人结构,通过浅析认为其具有速度精度高、运动惯量小和转动角度大等特点。(2)建立了六棱锥式并联机器人运动学和动力学通用模型。采取几何法和求导法根据运动连杆长度不变的几何约束条件建立了负载平台位姿与直线电机动子位移、速度和加速度之间的映射联系,并获得了机构的雅克比矩阵;提出质点系法结合拉格朗日法,将运动连杆视为质点系计算其动能,保证运算速度的同时提升了模型的精度,获得了负载平台位姿与直线电机驱动力的映射联系。所建立的数学模型为后续更深入的论述探讨和工程运用奠定论述基础。(3)确定了六棱锥式并联机器人的主要结构参数。以结构紧凑、无奇异和无机械干涉为原则,讨论运动连杆长度、负载平台半径和导轨倾斜角度变化对机构平动和转动性能的影响;浅析了机构运动频率与驱动力、导轨倾斜角度与能耗的联系。完成了机构零部件和基于dSPACE硬/软件的工程设计,成功研制出样机及其制约系统,并进行了运动学和动力学的验证实验,实验结果表明所建立的数学模型是正确的、可行的。(4)对六棱锥式并联机器人奇异性和工作空间这一关键论述进行了深入探讨。基于雅克比矩阵行列式讨论六棱锥式并联机器人发生奇异的条件,并引入可操作度表征任务轨迹远离奇异位形的程度。浅析了机构工作空间的约束条件,采取圆柱坐标搜索法获得了定姿态工作空间和定位置转动工作空间,为轨迹规划提供论述依据。进行了样机的性能测试实验,实验结果表明样机性能与仿真结果吻合并且能够满足总体案例的性能指标要求。(5)对六棱锥式并联机器人冗余任务下驱动力优化这一关键论述进行了深入探讨。以瞬时动能最小为优化目标,分别采取极值法和遗传算法对单自由度和三自由度冗余驱动力分配进行优化和验证实验。探讨结果表明,与冗余自由度上变化规律为零的情况比较,优化后的机构能耗有大幅度降低,说明优化策略是正确的、可行的。(6)为将基础探讨向工程化运用进展,对六棱锥式并联机器人在车辆工程领域运用案例的可行性进行了探讨。通过对样机特点和不同运用场合的需求浅析,提出机构作为车载零部件振动试验台的运用案例设想。采取谐波叠加法通过Matlab编程获得了国家级公路的路谱,并建立了简化的车辆模型,获得了车载零部件六个自由度上的振动情况。进行了振动实验,实验结果表明六棱锥式并联机器人能够较好再现车载零部件振动情况。关键词:并联机器人论文直线电机论文机构学论文运动学论文动力学论文奇异形位论文工作空间论文冗余优化论文振动试验台论文

    摘要5-7

    Abstract7-13

    插图目录13-16

    表格目录16-17

    符号表17-19

    1 绪论19-31

    1.1 选题的背景与探讨作用19-21

    1.2 车辆工程领域的运用近况21-25

    1.2.1 驾驶模拟器21-22

    1.2.2 轮胎测试机22-23

    1.2.3 K&C底盘试验台23-24

    1.2.4 车载零部件振动试验台24-25

    1.3 并联机器人论述探讨的近况25-29

    1.3.1 机构学探讨近况26

    1.3.2 运动学探讨近况26-28

    1.3.3 动力学探讨近况28-29

    1.4 论文主要探讨内容与结构29-31

    2 总体案例确定与运动学建模浅析31-49

    2.1 总体案例31-33

    2.1.1 两种典型结构案例浅析31-32

    2.1.2 两种备选案例浅析32-33

    2.1.3 六棱锥式结构案例33

    2.2 工作原理与参数定义33-35

    2.2.1 结构简图与工作原理34

    2.2.2 自由度计算与参数定义34-35

    2.3 运动学建模35-43

    2.3.1 运动学逆解35-38

    2.3.2 运动学正解38

    2.3.3 速度映射联系38-42

    2.3.4 加速度映射联系42-43

    2.4 结构参数确定43-47

    2.4.1 基于参数输入的图形用户界面43-44

    2.4.2 运动连杆长度对机构性能的影响44-45

    2.4.3 负载平台半径对机构性能的影响45-46

    2.4.4 导轨倾斜角度对机构性能的影响46

    2.4.5 结构参数的确定与浅析46-47

    2.5 本章小结47-49

    3 基于质点系的动力学建模与仿真浅析49-59

    3.1 拉格朗日动力学建模策略49-51

    3.1.1 拉格朗日方程的建立49-50

    3.1.2 拉格朗日方程的矩阵显式形式50-51

    3.2 六棱锥式并联机器人动能与势能51-54

    3.2.1 系统动能计算51-53

    3.2.2 系统势能计算53-54

    3.3 六棱锥式并联机器人动力学方程54-55

    3.4 动力学性能仿真与浅析55-58

    3.4.1 动力学图形用户界面55

    3.4.2 运动频率与驱动力的联系55-56

    3.4.3 导轨倾斜角度与机构能耗的联系56-58

    3.5 本章小结58-59

    4 样机系统的工程设计与模型验证实验59-80

    4.1 六棱锥式并联机器人工程设计59-64

    4.1.1 动圈式直线电机设计59-60

    4.1.2 铰链设计60-62

    4.1.3 其他部件设计62-64

    4.2 六棱锥式并联机器人制约系统设计64-69

    4.2.1 基于dSPACE的硬件系统设计64-66

    4.2.2 传感器选型66-68

    4.2.3 软件设计68-69

    4.3 运动学模型验证实验69-75

    4.3.1 运动学算例69-71

    4.3.2 运动学实验71-75

    4.4 动力学模型验证实验75-79

    4.4.1 动力学算例75-76

    4.4.2 动力学实验76-79

    4.5 本章小结79-80

    5 六棱锥式并联机器人轨迹规划与性能实验80-92

    5.1 奇异性浅析80-83

    5.1.1 奇异性分类80-82

    5.1.2 可操作度浅析82-83

    5.2 无奇异工作空间浅析83-87

    5.2.1 工作空间约束84-85

    5.2.2 工作空间算法85

    5.2.3 工作空间仿真85-87

    5.3 六棱锥式并联机器人性能实验87-90

    5.3.1 负载平台振动频率实验87-89

    5.3.2 负载平台最大转角实验89-90

    5.4 本章小结90-92

    6 基于遗传算法的冗余任务驱动力优化92-103

    6.1 优化模型与解法92-96

    6.1.1 数学模型92-93

    6.1.2 目标函数93

    6.1.3 求解策略93-96

    6.2 单自由度冗余优化算例与实验96-99

    6.2.1 单自由度冗余优化仿真97-98

    6.2.2 单自由度冗余优化实验98-99

    6.3 三自由度冗余优化算例与实验99-101

    6.3.1 三自由度冗余优化仿真100-101

    6.3.2 三自由度冗余优化实验101

    6.4 本章小结101-103

    7 车辆工程领域运用案例可行性探讨103-114

    7.1 车载零部件振动试验台案例设想103-105

    7.1.1 振动试验台分类103-104

    7.1.2 振动试验台案例设想104-105

    7.2 路谱模拟105-109

    7.2.1 路谱的采集策略105-106

    7.2.2 路谱论述表达策略106-107

    7.2.3 随机虚拟路谱107-109

    7.3 振动实验与浅析109-112

    7.3.1 简化模型109-111

    7.3.2 振动模拟实验111-112

    7.4 本章小结112-114

    8 结论与展望114-117

    8.1 主要工作与结论114-115

    8.2 革新点115-116

    8.3 探讨展望116-117

    致谢117-118

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