新型四自由度高速并联机器人机构及其设计理论研究

Driven by the exhaustive needs from pharmaceutical, logistics, and electronics, where pick-and-place operations at very high speed are the essential requirement, 4-DOF high speed parallel robots which use single moving platform and branched chain including parallelogram are innovative designed by using the theory of parallel mechanism and modern mathematical tools. Taking the above 4-DOF parallel robot as research object, the following contents are studied: (1) the construction method of its decoupling Jacobian matrix and motion/force transfer characteristics, (2) elastic dynamic design method based on parametric modeling and feature mapping using CAD/CAE technology, (3) integrated design method with consideration of the geometric and kinematics performance constraints, system power consumption, and the dynamic characteristics, (4) the geometric error modeling method and key technology of error compensation which can effectively inhibit error of the end effector. The theory results will be verified with an experimental prototype. The outcome of the project will lay down a solid theoretical and technical foundation for the application of the novel high speed parallel robot.

密切结合食品医药、现代物流、电子信息等领域自动化生产线高速轻载搬运作业需求，运用并联机构学理论和现代数学工具，创新设计出采用单动平台结构、含平行四边形支链的四自由度高速并联机器人机构，并以此为对象，研究其解耦雅克比矩阵及运动/力传递特性的构造方法，基于CAD/CAE参数建模和特征映射的弹性动力学设计方法，可兼顾几何和运动学性能约束、系统功耗、动态特性等多个设计目标和设计约束的集成设计方法，以及几何误差建模及可有效抑制末端执行器不可补偿误差的关键技术，并以实验样机验证理论成果。为推进这种新型机器人在轻载物料高速搬运中的应用奠定基础。

密切结合食品医药、电子信息、现代物流等领域自动化生产线高速轻载搬运作业需求，以旋量理论和线性代数为工具，完成了多种高速并联机器人机构创新设计。通过在可实现三平动的支链上添加绕z轴转动的铰链，发明出采用单动平台结构、含平行四边形支链且可实现SCARA运动的新构型，与采用双平台的此类高速并联机构相比，可有效简化动平台的结构，减轻末端运动部件的质量，有利于实现高速度和高加速度的动态特性。.针对平转耦合机构利用矩阵求逆建立了并联机构具有解耦形式的全雅克比矩阵，并据此构造运动学性能评价指标。所建指标具有取值介于[0,1]之间、无量纲、与坐标系无关的特点，该指标既可用于辨识奇异位形，也可作为尺度综合的目标函数或约束条件。.基于速度雅克比矩阵数学特征，定义两类物理意义明确的空间压力角，其可反映机构奇异、运动传递效率特性，并利用单调性分析法研究空间压力角随机构尺度参数的变化规律。利用虚功原理建立机构刚体动力学模型，并基于动力学模型，提出机构的惯性项、速度项、重力项三类动力学性能指标，结合机构尺度约束和运动学空间压力角约束，构建机构动力尺度综合模型，该方法可有效保障机构运动学和动力学性能。.利用矢量法建立高速并联机器人机构误差模型，利用矩阵分块方法分离出末端不可补偿误差，得到末端不可补偿误差与各支链误差源的映射关系，利用灵敏度系数法构建误差源概率模型，并提出以各零件尺寸误差灵敏度系数值为权重系数而构造的机构尺寸公差总和最大为目标函数的公差优化模型。.完成机构运动轨迹规划和运动控制系统的搭建，在此基础上，完成一台四自由度高速并联机器人物理样机的开发。.相关成果发表论文5篇，其中SCI检索论文2篇，EI检索论文3篇，获授权发明专利21件，培养研究生3人。