delta并聯(lián)機器人的運動規(guī)劃研究

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1、哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文第1章緒論1.1課題研究背景和意義迫于大規(guī)模的生產(chǎn)需求，工業(yè)機器人被視為解決規(guī)模生產(chǎn)和制造業(yè)革命的重要突破點。在當今實際的工業(yè)生產(chǎn)和制造環(huán)節(jié)中，工業(yè)機器人擔負起生產(chǎn)自動化，智能化和模塊化的重要責任。結(jié)合最新的通信科學技術(shù)和計算機軟件技術(shù)等，機器人的協(xié)同合作使得規(guī)?；蛦挝换a(chǎn)制造被廣泛地服務(wù)于各行各業(yè)中。這包括傳統(tǒng)的汽車制造行業(yè)，高端的航天航空制造業(yè)，消費類電子的封裝行業(yè)，還有最近比較火爆的現(xiàn)代物流的設(shè)計和建設(shè)。工業(yè)機器人幾乎分擔了所有的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的作業(yè)任務(wù)，包括工件的加工處理，成品的搬運作業(yè)、包裝和安裝作業(yè)、工件驗傷檢測、汽車

2、的焊接和噴涂、鋼板材[1]料的切割作業(yè)、食品生產(chǎn)過程中的分揀和包裝等等環(huán)節(jié)。工業(yè)機器人已經(jīng)成為高效率、低成本、高質(zhì)量生產(chǎn)的重要法寶，它是現(xiàn)代化制造業(yè)的重要工具之一。工業(yè)機器人的發(fā)展水平和周邊配套的運用程度已經(jīng)成為衡量一個國家先進制造業(yè)綜合能力的重要標準之一?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中運用的工業(yè)機器人大致可以分為串聯(lián)工業(yè)機器人和并聯(lián)工業(yè)機器人和混聯(lián)工業(yè)機器人。如下圖1-1所示是兩個經(jīng)典的串聯(lián)工業(yè)機器人和并聯(lián)工業(yè)機器人。a)串聯(lián)機器人b)并聯(lián)機器人圖1-1典型工業(yè)機器人這兩類工業(yè)機器人在工業(yè)上已經(jīng)大規(guī)模地裝配和應(yīng)用。針對不同的工業(yè)-1-哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文操作，它們各

3、有優(yōu)缺點和擅長的工作領(lǐng)域。串并聯(lián)工業(yè)機器人的特性詳見下表1-1，表1-1串聯(lián)和并聯(lián)工業(yè)機器人的特性串聯(lián)機器人并聯(lián)機器人較大的工作空間高速度高慣性高加速度低剛度低慣性低速讀高剛度低加速度較小的工作空間大負載小負載如圖1-2所示，上圖中由外移動和轉(zhuǎn)動副并聯(lián)在一起的并聯(lián)機械手，它是目前工業(yè)中應(yīng)用最多的Delta類并聯(lián)機械手。它是由R.Clavel博士和他的團隊于1987年發(fā)明的Delta機器人為原型，它含有三幅對稱的運動支鏈，它們通過從動臂和主動臂與基座相連，其中主動臂轉(zhuǎn)動是由關(guān)節(jié)處的電機的旋轉(zhuǎn)傳導(dǎo)，實現(xiàn)了機器人末端在笛卡爾坐標空間下三個方向的平移運動，在基座的中心位

4、置還有一個電機負責旋轉(zhuǎn)運功，從而實現(xiàn)了平面內(nèi)角度的調(diào)節(jié)，[2]總共四個自由度的Delta機器人。詳細圖解請看圖1-2。靜平臺驅(qū)動電機主動臂攝像頭從動臂旋轉(zhuǎn)軸動平臺圖1-2哈工大Delta機器人并聯(lián)工業(yè)機器人具有結(jié)構(gòu)緊湊、剛度大、拾放操作速度快、重復(fù)定位準確-2-哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文度高、承受負載能力強等一系列的優(yōu)點，所以高速高精度的運用情況下，它[2]必定受到廣泛的關(guān)注。如上圖1-2所示為著名的Delta機器人是并聯(lián)機器人[1]成功應(yīng)用推廣的典型例子，其雖然只有三個平動自由度，卻擁有高加速、高速特性，特別適用于快速抓取的拾放操作(PPO)，它在工業(yè)應(yīng)用

5、中取得了巨大的成功，尤其在食品包裝和分揀領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。如下圖1-3所示的各種運用場景。a)ABB公司的IRB340Sb)SIG公司的C23c)Diamond電池分揀d)H4機械手抓取桌球e)Delta類手術(shù)機器人f)ADEPTS650H圖1-3Delta類機器人運用領(lǐng)域Delta類機械手已有許多的成功應(yīng)用實例。一些國外公司如Yaskawa，SIGPack，F(xiàn)anuc，ABB，Kawasaki，AdeptTechnology等著名的機器人公司，還有國內(nèi)天津大學（Diamond）高速機械手等都研發(fā)了類似并聯(lián)機器人，這些-3-哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文Delta類

6、機器人的各項性能已經(jīng)非常先進，有效的提高了生產(chǎn)效率。它們主要從事拾放操作，典型運用集中在分揀包裝操作、汽車零部件領(lǐng)域、食品領(lǐng)域、[2]微電子封裝領(lǐng)域、3C行業(yè)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。隨著對工業(yè)機器人操作速度提高需求越來越強，在高速模式下，出現(xiàn)機器人拾放精度降低、振動強烈、機械部件磨損增大等一系列問題。最終導(dǎo)致機器人使用壽命大幅簡短，增加企業(yè)成本。本課題對Delta并聯(lián)機器人運動規(guī)劃進行研究，為了提高Delta機器人的操作速度和控制等各種性能。發(fā)揮Delta機器人最大的性能，提高生產(chǎn)效率。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析[23]早些年的Delta并聯(lián)機器人的研究集中在基礎(chǔ)領(lǐng)域

7、。比如運動學的正逆解、工作空間的計算、動力學建模等等。最近幾年，Delta并聯(lián)機器人的PPO操作研究成為了關(guān)鍵部分，如今不管在學術(shù)領(lǐng)域還是工業(yè)領(lǐng)域都對如何提高PPO操作的高速表現(xiàn)的話題充滿興趣。作為一個簡要的總結(jié)，到現(xiàn)在為止，大概有4種常用的方法來改善Delta并聯(lián)機器人的高速運算性能。第一，重量輕，剛度高的連接桿。例如ABB的FlexPicker、Fanuc的M-3iA等。第[24-28][29]二，運動學和動力學維度綜合。第三，基于模型控制器。第四，軌跡規(guī)劃。通過適當?shù)囊?guī)劃，平穩(wěn)平滑而且高速PPO路徑可以設(shè)計完成，基于能[30][31][32-35]源效率，

8、減少振動，或最佳時間等指