新型高刚度二自由度并联机器人的分析与设计(2)
致 谢 29
参考文献 29
1 绪论
1.1 课题研究的目的、意义
随着越来越多的学者加入到并联机器人的研究行列中，并联机器人的理论研究得到了空前的发展，并逐步从理论上升到实际应用。由于并联机器人具有高速度、高刚度的优点，在一些不需要太大工作空间的场合得到了较好的应用[1-2]，如用于运动模拟器、微动定位机器人、天文望远镜、可视化触觉装置或力传感器等。
并联机器人按自由度可划分为：二自由度并联机器人、三自由度并联机器人、四自由度并联机器人、五自由度并联机器人以及优尔自由度并联机器人。由于优尔自由度并联机器人存在工作空间小、运动学和动力学分析复杂、标定困难以及不易于控制等问题，而且在许多情况下往往只需要较少的自由度就能满足工作要求，因此少自由度并联机器人机构受到了青睐。所谓少自由度并联机器人是自由度数少于6的并联机器人，其中二自由度并联机器人的自由度最少，它不仅在电子、包装、医疗等轻工业领域可实现快速抓放、分拣、排序等操作；另外还可以结合串联机构，构造多自由度的混联机床，因此二自由度并联机器人机构具有广阔的应用前景。依据操作末端的运动特性，二自由度并联机器人可分为平移并联机器人、两转动并联机器人、一平动一转动并联机器人和球面并联机器人。
二自由度并联机器人最具代表性的为平面5R并联机器人[3]。平面5R并联机器人由4个连杆、5个转动副以及基座组成，可完成平面工作空间内任一点定位，而且结构简单，易于实现高精度高刚度控制[4]。上海交通大学的周双林对平面五杆机构的柔性工作空间做了研究[5]，西南科技大学的赵登峰更是对平面五杆机构的工作空间及其演化做了研究；上海海事大学的江帅对五杆机构的运动设计，动态仿真和轨迹控制都做了相应的分析和研究[6]；武汉科技大学的郭爱华对五杆机构的运动学及其运动控制系统[7]也做了研究。但平面5R并联机器人不是真正意义上的平移并联机器人，因为操作末端是一个点，而点是没有姿态的，如果该点固接一个动平台，那么运动过程中动平台的姿态将会发生变化，所以平面5R并联机器人并不能保证操作末端作纯平移运动。
目前出现的二自由度平移并联机器人多数为平面结构机器人，即所含的转动副轴线都垂直于运动平面，移动副轴线都在运动平面内。这类机器人由于存在动力学性能差、垂直于运动平面方向刚度(侧向刚度)低等缺点，而不能满足加工过程对空间刚度的要求。为了改善二自由度平移并联机器人的侧向刚度，彭斌彬[8-9]提出了两种新型的二自由度平移并联机器人，这两种机器人不仅在运动平面内具有较高的刚度，而且在垂直于运动平面方向上也具有很好的刚度。
以文献[9]提出的二自由度平移运动并联机器人作为本课题的研究对象，该机器人从结构上突破了以往基于平面结构设计二自由度平移并联机器人的限制，较好地改善了二自由度平移并联机器人的侧向刚度，具有传统平面结构二自由度平移并联机器人不可比拟的优势。随着机械行业的发展，对产品的综合性能要求越来越高，如何使机器人具有较佳的可操作性能，以满足工作需求，将成为亟待解决的问题。本文以此作为核心内容，展开了相关研究。
1.2 二自由度并联机器人的研究现状
图1-1 空间二自由度平移并联机器人
1.3 本课题主要研究内容
本文针对一种新型二自由度平移并联机器人，系统分析了自由度、运动学、工作空间，并在此基础上进行了结构设计。本课题的主要研究内容如下：
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