并联机构装配机器人系统设计

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.03MB 61 页 15积分

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摘要

并联机器人刚度大、承载能力高及重复定位精度高等特点，使其在工业领域

中应用越来越广泛，因此，国内外众多学者对并联机器人进行深入研究。本文以

3-RRR 并联机构装配机器人的机械系统为研究对象，对该机器人进行了如下工作：

首先，分析常用的并联机器人所应用的并联机构，对并联机构的机构设计思

想、运动副的基本类型进行了简单介绍；阐述了 3-RRR 并联机器人的提出背景，

并描述了并联机器人机构设计的步骤流程；进行分析该并联机构装配机器人的机

械结构；以 Pro/Engineer 软件作为三维建模软件，建立该机器人的三维仿真分析模

型。

其次，对并联机器人机构分析理论知识进行阐述，对刚体的位姿进行了描述；

并且建立该机构的运动学模型，应用约束方程列写的方法推导出了机构位姿的逆

解方程；之后，应用数值分析方法得出了机构位姿正解的推导方程，并且采用

MATLAB 软件验证该并联机器人机构位姿逆解与正解的正确性；分析了该并联机

器人的工作空间，并在 MATLAB 环境下求出其工作空间。

最后，以并联机器人的运动学模型为基础，根据其机构特点，完成如下工作：

第一，介绍了并联机构操作平台位姿误差的来源，进一步分析构成误差源的因素；

第二，叙述了国内外现在使用的并联机构误差分析方法，然后建立该机器人的误

差分析模型，应用微分方程法对误差模型进行求解分析该机器人的杆长、关节转

角、动平台与静平台处外接圆半径的结构误差；根据推导出的算法，在 MATLAB

环境下进行仿真分析。第三，在第四章的误差分析的基础上，先对机器人的误差

补偿进行阐述，列举了一些分析误差补偿的分析方法；然后，对软件补偿分析方

法进行了说明。最后，以机器人的正向运动学为基础，提出了一种等效误差分析

模型，建立误差补偿分析方程，进行误差补偿的分析，通过仿真分析得出最终结

果。

关键词：并联机器人工作空间误差分析误差补偿

ABSTRACT

Parallel robots has the advantages of high rigidity, high bearing capacity and high

repeatability of positioning accuracy, make it more and more widely used in the

industrial field. Therefore, many scholars, both at home and abroad, are in-depth

studying on it for further development. In this paper, the 3-RRR parallel mechanism

assembly robot was used as the research object; The work based on the parallel robot

was as following:

Firstly, analyzed the parallel mechanism which was used in the parallel robots

commonly and briefly introduced the mechanism design ideas of the parallel

mechanism, the basic types of kinematic pair; expounded the background of advancing

3-RRR parallel robot, and described the process of mechanism design of parallel robots;

Analyzed the mechanical structure of the parallel mechanism assembly robot; and

established the three-dimensional simulation analysis model with the three-dimensional

modeling software-Pro/Engineer software.

Secondly, expounded the mechanism analysis theory knowledge of parallel robots,

and described the position and orientation of rigid body; established the kinematics

model of the parallel mechanism, application constraint equations listed writing

methods deduced the inverse kinematics equations of the parallel mechanism's position

and orientation; Afterwards, application of the numerical analysis method deduced

direct kinematics equation of parallel mechanism's position and orientation, and verified

the correctness of reverse solution and position solution of the parallel mechanism's

position and orientation with the MATLAB software; analyzed the parallel robot's

working space, and calculated its working space in the MATLAB environment.

Lastly, based on the kinematics model of the parallel robot, according to its

structural characteristics, completed the following work: first, introduced the sources of

error in the parallel mechanism operation platform's position and orientation,

furthermore, analyzed the factors of the error sources; second, described the error

analysis method of parallel mechanism both at home and abroad, then, built up that

parallel robot's error analysis model, solved the error model with the differential

equation, and analyzed that parallel robot's structural error in: rod length, joint angle,

the moving platform and the base platform's circumradius; According to the deduced

algorithm, simulation analysis in the MATLAB environment. Thirdly, on the basis of

the fourth chapter’s error analysis, expounded the parallel robots error compensation

firstly, listed a number of error compensation analysis methods. Then, explained the

software compensation analysis methods. At last, based on parallel robot’s forward

kinematics, one equivalent error analysis model was proposed, the error compensation

analysis equation was established to analyze the error compensation, the final result was

obtained from the simulation analysis.

Key Words: Parallel Robots，Workspace，Error Analysis，

Error Compensation

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................... 1

§1.1 并联机器人的发展概述 ...................................................................................... 1

§1.1.1 并联机构的定义 ............................................................................................ 1

§1.1.2 并联机器人 .................................................................................................... 2

§1.2 并联机器人的特点 .............................................................................................. 3

§1.3 并联机器人研究现状 .......................................................................................... 3

§1.4 并联机器人的应用 .............................................................................................. 5

§1.5 本课题的主要研究工作 ...................................................................................... 6

§1.6 本章小结 .............................................................................................................. 7

第二章并联机构装配机器人总体设计 .......................................................................... 8

§2.1 并联机器人机构设计理论基础 .......................................................................... 8

§2.1.1 机构设计基本思想 ........................................................................................ 8

§2.1.2 基本类型的运动副 ........................................................................................ 8

§2.1.3 并联机器人机构的结构形式 ...................................................................... 10

§2.2 3-RRR 并联机器人的提出背景 ........................................................................ 10

§2.3 3-RRR 并联机器人机构设计 ............................................................................ 11

§2.4 并联机器人机构自由度计算 ........................................................................... 12

§2.5 并联机构机器人模型的建立 ............................................................................ 13

§2.6 本章小结 ............................................................................................................ 14

第三章并联机器人的运动学分析 .............................................................................. 15

§3.1 引言 ................................................................................................................... 15

§3.2 刚体位姿的描述 ................................................................................................ 16

§3.2.1 刚体位置描述—位置矢量 .......................................................................... 16

§3.2.2 方位的描述—旋转矩阵 .............................................................................. 17

§3.2.3 坐标系的描述 ............................................................................................. 17

§3.2.4 坐标系在固定参考坐标系中的表示 ......................................................... 18

§3.3 并联机构位置逆解分析 .................................................................................... 18

§3.2.1 机构坐标系的建立 ...................................................................................... 19

§3.2.2 Mi、Pi 点坐标的确定 .............................................................................. 20

§3.2.3 算例分析 ..................................................................................................... 23

§3.4 并联机构位置正解分析 .................................................................................... 24

§3.4.1 并联机构主动输入选取理念 ...................................................................... 24

§3.4.2 实验数据及结果 ......................................................................................... 24

§3.5 并联机器人工作空间分析 ................................................................................ 26

§3.5.1 影响工作空间的因素 ................................................................................. 27

§3.5.2 机构工作空间的确定 ................................................................................. 28

§3.5.3MATLAB 下工作空间三维模型图 ............................................................. 29

§3.6 本章小结 ........................................................................................................... 31

第四章并联机器人的精度分析 .................................................................................. 32

§4.1 引言 .................................................................................................................... 32

§4.2 机器人误差来源 ............................................................................................... 32

§4.2.1 驱动系统误差 ............................................................................................. 33

§4.2.2 机械系统误差 ............................................................................................. 33

§4.3 并联机构机器人的误差分析 ............................................................................ 34

§4.3.1 并联机构误差分析方法 .............................................................................. 34

§4.3.2 建立误差模型 ............................................................................................. 34

§4.3.3 机构误差综合分析 ..................................................................................... 37

§4.3.4 数值仿真与分析 .......................................................................................... 39

§4.4 本章小结 ............................................................................................................ 41

第五章并联机器人的误差补偿 .................................................................................. 42

§5.1 引言 .................................................................................................................... 42

§5.2 误差来源分析 .................................................................................................... 42

§5.3 参数识别 ........................................................................................................... 43

§5.4 软件补偿法概述 ............................................................................................... 43

§5.5 误差分析计算 .................................................................................................... 45

§5.6 仿真计算 ........................................................................................................... 49

§5.7 本章小结 ........................................................................................................... 50

第六章结论与展望 ...................................................................................................... 51

参考文献 ........................................................................................................................ 53

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 57

致谢 ................................................................................................................................ 58

第一章绪论

§1.1并联机器人的发展概述

机构学是一门十分古老的科学，而且还伴随着时代的向前发展而不断发展。

串联式机器人的发展曾经带动了空间机构学的发展[1]，近年来并联机器人的发展再

次为空间机构学的发展带来新的挑战。机器人技术的进步推动着现代机构学的发

展，在机器人的各个子系统（机构、驱动、控制、传感与信息处理等）中，机构

是机器人的骨架与执行器。因此，对机器人的研究是当前科技领域发展的重要方

向之一。

§1.1.1 并联机构的定义

并联机构（Parallel Mechanism，PM），可以定义为动平台和定平台通过至少两

个独立的运动链连接，机构具有两个或两个以上的自由度，且以驱动器分布在不

同支路上的机构[2]。并联机构的出现可以回溯到上个世纪三十年代，Gwinnett 在其

专利中提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置，如下图 1-1所示；1940 年，

图1-1 Gwinnett 并联机构图1-2 Pollard 的汽车喷漆并联机构

Pollard 在其专利中提出了一种用于汽车领域喷漆的空间工业并联机构装置，如上

图1-2 所示；之后，1962 年，Gough 发明了一种基于并联机构的六自由度轮胎检

测装置，如下图 1-3 所示；直到 1965 年，目前应用范围最广大的并联机构，即被

人们称为 Goug-Stewart 机构，或者称为 Stewart 机构出现了。Stewart 对Gough 发

明的这种并联机构进行了机构学意义上的研究，并将其推广应用为飞行模拟器的

运动产生装置，如下图 1-4 所示的飞行模拟器。

并联机器人装配机器人系统设计

图1-3 Gough 的轮胎检测装置图1-4 飞行模拟器

§1.1.2 并联机器人

并联机器人（Parallel Robot，PR），它是一种全新的机器人，它具有刚度大、

承载能力强、误差小、精度高、容易控制等优点。它可以定义为将并联机构作为

机器人操作臂且以并联方式驱动的机器人[2]。自从第一台工业机器人[3]产生以来，

不仅仅是工人的生产关系安全问题得到了巨大的保障，工业生产效率发生了质的

变化，随着机器人技术的向前发展，并联机器人的出现在很大程度上提高了工业

生产效率。 Maccallion 和Pham D.J.第一次将并联机构以操作器的形式设计，成功

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，

大大的推动了并联机器人发展的历史。下图所示分为 FANUC 公司和 ABB 公司生

产的用于生产线上装配的并联机构机器人。

图1-5 FANUC 并联机器人 M-1iA 图1-6 ABB 公司的 IRB340FlexPicker

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摘要并联机器人刚度大、承载能力高及重复定位精度高等特点，使其在工业领域中应用越来越广泛，因此，国内外众多学者对并联机器人进行深入研究。本文以3-RRR并联机构装配机器人的机械系统为研究对象，对该机器人进行了如下工作：首先，分析常用的并联机器人所应用的并联机构，对并联机构的机构设计思想、运动副的基本类型进行了简单介绍；阐述了3-RRR并联机器人的提出背景，并描述了并联机器人机构设计的步骤流程；进行分析该并联机构装配机器人的机械结构；以Pro/Engineer软件作为三维建模软件，建立该机器人的三维仿真分析模型。其次，对并联机器人机构分析理论知识进行阐述，对刚体的位姿进行了描述；并且建立该机构的运...

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