基于电机性能参数的高速并联机构集成优化设计

With the widely applications of industrial robots, the demands of speed, precision, rigidity and dynamic performance of them become much more important, which leads to the great development of high-speed parallel robots. Driven by those urgent needs in fields of industrial automation where high-speed parallel robots are the essential requirements, this project mainly studies on the integrated design methods of 2-, 3-, and 4-DOF high-speed parallel manipulators. The group intends to propose a series of dynamic performance indices which could guide the optimization of dimensional parameters of these three kinds of manipulators. On the basis of completing the selection of servo motors, according to the performance parameters of them, using the proposed dynamic performance indices to investigate integrated optimal design methods of high-speed parallel manipulators, then a novel design system suitable for these parallel mechanisms will be set up. To facilitate the design of 2-, 3-, and 4-DOF high-speed parallel manipulators, an integrated platform will be developed to guide the design of these parallel mechanisms. A prototype of 4-DOF high-speed parallel manipulator will be built and tested in order to verify the rationality of the methods. This project will contribute to the theory and technology for the development of high-speed parallel manipulators and promote the engineering application of them. It will also play an important role in promoting the basic theory research and enriching the original technology application of parallel mechanisms in our country.

随着机器人在工业应用领域的不断拓展，对工业机器人本体的速度、精度、刚度和动态特性等要求越来越高。因此，高速并联机构开始引起工业界及学术界的广泛关注，并逐渐成为近些年来的主要研究热点。本项目密切结合工业自动化行业对于高速并联机械的需求，针对一类2-、3-、4自由度高速并联机械手，研究高速并联机构的集成设计理论与方法。建立一套可指导该类机构尺度参数优化的动力学评价指标体系，在完成机构伺服电机选型工作的基础上，依据电机性能参数，利用所提出的动力学评价指标，深入研究该类并联机构的集成尺度参数优化设计方法，形成适合此类机构的新型设计理论体系。开发一套集成优化设计平台，以指导该类机构的设计与建造。建立该类高速并联机械手样机，深入开展样机性能检测,进而为开发该类高速并联机械手产品奠定理论与技术基础，推动其理论和工程应用。这将对促进并联机器人机构学基础理论研究、丰富我国并联机构技术的工程应用起到重要作用。

本项目密切结合少自由度并联机械手的工业性能需求，以一类2、3、4自由度高速并联机械手为研究对象，针对其基于电机性能参数的本体优化设计及运动控制等关键技术展开了研究。由于该类型少自由度并联机械手具有相同的拓扑结构，故在本项目的研究过程中主要针对构型最为复杂的4自由度高速并联机械手Cross-IV进行研究，所获得研究成果同样适用于2、3自由度高速并联机械手。本项目所取得的创新性成果如下：. 在机构本体优化设计方面，首先提出了两类链间压力角指标集合，设计出了一种基于运动学性能的机械手尺度参数设计方法。然后根据链间动力学耦合特性与其构型和惯量矩阵特征值之间的关系，并提出了少自由度并联机械手耦合特性的通用评价方法和指标。通过上述两种方法，获得机构的最优尺寸。最后采用有限元分析方法，利用正交试验分析了截面参数对系统静、动态性能的影响，并结合尺度参数的设计范围完成了机械手主要部件的截面参数设计。. 在动力学控制方法的设计方面, 分别建立了机械手的动力学前馈控制方法和模糊PID+前馈的控制方法。提出了机械手整机机电联合仿真系统的建模策略，在此基础上对各控制方法进行了详细的仿真分析，并通过实验验证了各控制方法的有效性。. 在集成软件设计方面，完成了Cross-IV机械手的集成优化设计平台设计。实现了其尺度参数优化、伺服电机性能预估、运动轨迹优化和动力学控制仿真分析等功能的集成。