文档介绍：硕士学位论文
面向高速拾放操作的大工作空间
并联机器人研究
A Large Workspace Parallel Manipulator
for High-Speed Pick-and-Place
Applications
廖斌
哈尔滨工业大学
2012 年 6 月
国内图书分类号: 学校代码:10213
国际图书分类号:621 密级:公开
工学硕士学位论文
面向高速拾放操作的大工作空间
并联机器人研究
硕士研究生:廖斌
导师:楼云江副教授
申请学位:工学硕士
学科:控制科学与工程
所在单位:深圳研究生院
答辩日期:2012 年 6 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index:
: 621
Dissertation for the Master Degree in Engineering
A Large Workspace Parallel Manipulator
for High-Speed Pick-and-Place
Applications
Candidate: Liao Bin
Supervisor: Prof. Lou Yunjiang
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Specialty: Control Science and Engineering
Affiliation: Shenzhen Graduate School
Date of Defence: June, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
自动化生产线上需要大量应用到高速拾放操作。目前,应用于此类操作的经
典机器人有串联机器人 SCARA,并联机器人 Delta、Par4 等。由于具有高速、高
加速的特点,并联机器人的应用已占据市场的主导地位。但是,传统并联机器人
工作空间受限的缺点是不能被忽视的。将并联机器人驱动同轴布置的方法,可以
使得机器人工作空间遍布基座周围,增大工作空间。这对完成大跨度的拾放操作
提供了保证。本文提出了一款新型的拥有驱动同轴式结构的平面并联机器人。它
的目标应用领域是自动化生产线上的高速拾放操作。
本文对这款新型并联机器人进行了研究,并提出了一种针对高速拾放操作的
优化设计方法。首先介绍了这款新型并联机器人的构型方法,并运用微分流形的
方法证明了它是一款三自由度的平面运动并联机器人。在建立数学模型之后,利
用闭环方程对机器人的正反向运动学进行了求解。通过对机器人的反向运动学分
析,获得了工作空间的准确数学表达式。接着,利用速度矢量方程获得了包含几
何特征的运动学雅可比矩阵,进而完成了奇异性的分析。然后,通过对动能方程
的变形提取出了机器人的质量矩阵,以估算机器人的加速度。研究高速拾放操作
可以发现,速度和加速度是保证操作顺利进行的关键因素。高速度能够保证拾放
过程的快速进行,高加速度可以缩短机器人在加减速过程中所消耗的时间。本文
在最后提出了以速度和加速度为约束条件的优化设计方法。在运动学优化上,通
过速度的要求获得了机器人各杆件的长度尺寸。动力学优化建立在对加速度的约
束上,最终获得了机器人各杆件的截面尺寸。通过这种优化设计方法所获得的机
器人,能够保证高速拾放操作的顺利进行。这种优化设计方法可以应用于其它面
向高速释放操作的机器人。
关键字:并联机器人;运动学;质量矩阵;优化设计;高速拾放操作
-I-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
Robots based pick-and-place operations are widely used in automation production.
The classical pick-and-place manipulators contain the SCARA serial robot, the Delta
parallel robot, the Par4 parallel robot and so on. With the a