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基于大行程柔性鉸鏈的6自由度并聯機器人系統的研究

隨著機器人技術的逐步完善,適于特殊作業的機器人種類也日益增多,其應用領域不斷拓展到微電子制造,MEMS封裝與組裝,高精密機械加工與裝配,生物芯片制備,大范圍高速掃描檢測裝備等行業.隨之而來的,各行業對機器人的性能指標提出了越來越高的要求,追求機器人的高定位精度,高重復精度,高分辨力,同時還要求其工作范圍大,質量輕,能耗低等,從而對機器人結構的設計提出了更高的要求.在這樣的前提之下,為滿足人類向微小世界探尋的需要,作為機器人技術發展的一個重要分支,微操作機器人成為機器人學中十分活躍的研究領域. 本文結合國家"863"計劃項目"6自由度納米級宏微操作機器人的研究(項目編號2002AA422260)"和"原型裝置靶瞄準定位系統工程預先研究項目(項目編號863-804-5)",共搭建了3套實驗系統,其中采用了單一驅動以及雙重驅動兩條技術方案.在廣泛的分析了目前已有的柔性精密定位系統,并聯精密定位系統和宏/微雙重驅動系統的基礎之上,針對目前大范圍運動定位與高精度定位的應用實際需要,提出了大行程柔性鉸鏈的概念設計,并以此構建六支鏈大行程柔性并聯結構定位系統,為滿足超高精度的定位需要,在并聯支鏈中集成了壓電陶瓷驅動,構成了宏/微雙重驅動并聯結構系統,充分體現了驅動,結構,檢測一體化的設計思想. 在結構單元的設計方面,針對當前柔性鉸鏈運動范圍小等問題,在通用的球副柔性鉸鏈的基礎之上,提出了大行程柔性鉸鏈的概念設計;在柔性并聯結構的設計方面,提出了在通用的并聯結構系統中,采用大行程柔性鉸鏈代替傳統運動副的設想,建立基于大行程柔性鉸鏈的并聯結構系統. 在大行程柔性并聯結構的運動學建模方面,利用材料力學的基本原理和小變形假設,推導了大行程柔性鉸鏈的數學模型,并給出了在全局坐標系下的顯式表達;在此基礎之上,通過剛度組集的辦法建立了大行程柔性鉸鏈并聯結構柔性支鏈的運動表達式,通過聯立運動位移協調方程和力約束協調方程,建立了并聯結構的位置解模型. 由于并聯結構系統中的各部件,特別是柔性鉸鏈結構在自身變形提供整體結構的運動輸出的同時,還經歷了大范圍的剛體運動,導致大行程柔性并聯結構的位置解模型成為典型的幾何非線性問題.鑒于此,本文首先推導了空間柔性結構的幾何非線性的剛度遞推模型,并利用牛頓-萊弗森方法對該模型進行了求解.由于幾何非線性模型的迭代求解方式,導致該模型的實時性很差,不易移植至控制系統進行實時控制求解,故在大量的試驗嘗試的基礎之上,選擇了BP神經網絡方法,建立了3層六輸入-六輸出的位置解神經網絡結構,從而在方便了實時控制編程的同時,還大大提高了系統的位置解的求解速度. 由于柔性并聯結構的位置解模型中不僅僅包括結構中的位置信息,還提供了結構中相關的力信息以及剛度信息,本文在上述位置解模型的基礎之上,給出了該類系統的剛度模型,并建立了并聯結構中的結構參數和尺度參數對系統剛度的影響圖譜,對這類系統的結構綜合以及優化設計提供了有力的工具. 在大行程柔性并聯結構的動力學建模方面,采用了歐拉梁理論和有限元方法,由拉格朗日方程建立了基于實際位移的大行程柔性鉸鏈并聯機器人各支鏈的動力學模型,并通過位移協調方程和動力協調方程,最終得到并聯系統的動力學模型.綜合采用了紐馬克方法和牛頓-萊弗森方法解決了系統動力學求解問題,并通過一個算例進行了基于逆動力學的求解仿真. 在大行程柔性并聯結構的樣機實驗方面,我們提出了采用大行程柔性鉸鏈作為被動關節的6-PSS并聯機器人系統,該系統采用壓電馬達作為驅動器,精密光柵尺作為位置反饋元件,其可在立方厘米級的工作空間內實現微米級精度的運動;在此基礎之上,我們在并聯機器人的支桿中嵌入壓電陶瓷,在壓電馬達的宏運動結束之后,壓電陶瓷可以驅動并聯機器人進一步的微調,從而得到一個6-PSS和6-SPS結合宏微雙重驅動并聯機器人系統,其中,微動系統可在微米級運動空間內實現納米級的運動精度.基于大行程柔性鉸鏈的宏微雙重驅動并聯機器人系統,可以同時滿足大工作空間和高精度的工程需要.此外,我們將大行程柔性鉸鏈并聯機器人系統,成功的應用到激光瞄準靶支撐裝置中,其厘米級的運動范圍和納米級的運動分辨力,使其在神光III系統中發揮了十分重要的作用.

哈爾濱工業大學 2021-05-04

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