并联柔索驱动机器人精度分析及变刚度特性研究

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并联柔索机器人(Parallel Wire Manipulator,PWM)是20世纪80年代出现的一种新型机器人,它以柔索代替传统并联机器人的连杆作为传动元件,使得操作臂的重量大大降低,可以大大提高机器人的工作效率。与串联机器人相比,并联柔索机器人具有较高的刚度、精度和负载能力,结构紧凑;与传统并联机器人相比,并联柔索机器人的工作空间比较大。根据柔索张紧条件的不同,可将并联柔索机器人分为两类:并联柔索悬吊机器人(Parallel wire SuspendedRobot,PWSR)和并联柔索驱动机器人(Parallell Wire Driven Robot,PWDR)。其中PWDR是一种闭链冗余驱动机构,具有更好的刚度性能,可以实现高速作业,因此具有更广阔的应用空间。 PWDR以柔索作为操作臂的传动元件,虽然降低了机构重量,但是重量的降低通常会引起系统柔性的增加,柔索的弹性不仅会影响操作臂的作业精度,还会降低系统的响应频率,甚至会导致系统不稳定。虽然柔性的增加会给操作臂的运动控制带来困难,但是它同时也为系统带来了柔顺性,利用这种柔顺性可以实现系统的变刚度控制。可见,如何提高PWDR的精度和利用机器人的变刚度特性是值得研究的问题。 本文主要以4索3自由度并联柔索驱动机器人为对象,进行了精度和变刚度的研究,主要工作如下: 首先,介绍了并联柔索机器人的分类、特点、研究现状和成果,描述了本文所研究的并联柔索机器人的运动模型,包括各空间表达之间位置正逆解和速度的关系,并对其进行了数值仿真。 其次,对误差分类,并在位置正逆解模型的基础上,利用微分原理和误差等效作用原理,建立它们的误差模型,然后又综合考虑所有误差,得到精度综合的最终结果。对各误差模型进行了数值仿真,并在机器人样机上做了位置控制实验,比较了未加误差模型和加入误差模型的实验结果。 再次,对机器人变刚度特性进行了理论分析,得到机器人的刚度模型,并对其变刚度的特性进行了数值仿真及实验。
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