过约束五自由度混联机器人机构设计理论研究

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 2PRR2+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 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。