并联喷涂机器人结构与控制系统设计研究

针对现有的人工喷涂作业对人体危害大、生产效率低、质量参差不齐、喷涂机器人价格较为昂贵等问题,开展了低成本并联喷涂机器人的设计工艺探索,从结构设计和控制系统两方面入手,结构上利用Recurdyn优化分析确保轻量化设计,基于四元素与空间算子代数,建立并联机构运动模型,保证多机协同作业,同时采用了防尘防爆结构设计,控制上采用PMAC运动控制卡和基于PC-104总线的嵌入式PC方式,使系统具有结构简单易维护、可靠性高等优点。     

管外喷涂机器人的动作控制设计

管外喷涂机器人的行走系统采用步进电机驱动尼龙轮的动作方式,管外防腐喷涂是用步进电机作为动力源,通过不完全链传动系统中输出链轮的往复转动来带动喷枪绕管道轴线作一定规律的摆动,并随着管外机器人本体的行走系统沿管道轴线作间歇式直线移动而实现的,设计了管外喷涂机器人的行走系统和管外防腐喷涂系统动作的单片机控制方式.     

柔顺关节并联机器人设计与实验

通过实验研究,运用结构参数化方法设计了满足要求的柔顺关节,用以代替传统运动副进行传动,建立了含有柔顺关节的柔顺并联机器人机构,并与控制系统和OPTOTRAK测量系统一起组成实验系统,开展柔顺关节并联机器人动力学建模、分析、设计、规划与控制等方面的系统研究.以3自由度柔顺并联机器人为研究对象,分别对用转动副传动的刚性并联机器人和用柔顺关节传动的柔顺并联机器人进行了实验研究.通过对实验数据的对比分析,各项实验指标相对误差均控制在允许之内,表明在并联机器人中用柔顺关节取代转动副的有效性.     

温室并联移栽机器人设计与试验

针对目前温室穴盘苗移栽作业存在的人工成本高、移栽作业效率低及国外移栽机不能适应我国温室穴盘苗移栽需求等问题,从移栽需求入手,制定了框架结构、并联机器人及输送装置3部分的设计方案,设计了一款结合自动化输送装置的并联移栽机器人,其具有刚度大、精度高及累积误差小的特点。同时,进行了将128孔穴盘黄瓜苗移栽至72孔穴盘中的移栽试验,结果表明:该温室并联移栽机器人在移栽加速度高于20mm/s~2时,移栽钵苗合格率明显降低。     

温室剔补苗并联机器人设计与试验分析

我国目前对剔补苗机械化的研究很少,为了提高剔补苗机械化完成度,需要对目前具备的剔补苗移栽机进行完善,设计一款高速、高频、高精度的剔补苗并联机器人。对3条支链进行结构尺寸、材料选择上的优化,在拐点处设计适合作业要求圆弧形过渡,可以减少因惯性带来的冲击。对末端执行器的运动进行合理的轨迹规划,提高移栽稳定性。机器人的材料主要选取为：静平台、支链电机座和驱动臂材料选用经过调质处理后的45号钢,支链球铰结构材料选用7075铝合金,支链的连杆结构材料选用碳纤维杆;根据对幼苗固定生长周期的多盘穴盘苗进行统计分析,若幼苗固定生长期的茎粗在范围之外,判定为不健康幼苗,茎粗为0时,为缺苗;选用PLC控制器控制伺服电机驱动主动臂动作,进而控制电磁阀和末端执行器动作。通过对控制系统的优化,促进整个并联移栽机构的工作性能,提高剔补苗、移栽苗的工作效率。     

仿腕关节柔顺并联打磨机器人设计与试验

根据柔性并联机构逆向自适应运动原理,设计了一种3转动输出的3SPS+S仿腕关节柔性并联打磨机构,建立了机构运动方程,得到了柔性支链变形量与动平台姿态的关系;分析了柔性支链的变形力以及打磨工具打磨力、输出力矩情况,并建立力学模型;以打磨工具姿态变化和打磨力恒定为目标,对建立的三维模型进行仿真,并通过样机模拟得到机构的工作参数范围;仿真和试验结果表明,这种打磨机构可根据工件曲面几何形状的改变而实时改变打磨工具姿态,在有效控制力的前提下可保持打磨头和工件间的接触打磨力不变,该机构设计简单、运动灵活、方便控制,具有较好的应用价值。     

3自由度空间并联机器人机构设计与分

提出了一种新型3自由度空间并联机器人机构,机构动平台具有两个移动和一个转动自由度.基于螺旋理论对机构的运动输出特性和自由度进行了分析与计算,推导出机构的位置和速度解的解析表达式,讨论了机构的奇异性和灵巧性.由于映射输出一输入速度矢量关系的Jacobian矩阵为单位阵,所以此机构为无奇异完全各向同性并联机构,故该机构具有良好的运动、力传递性能和潜在的应用前景.     

并联机器人开槽薄壁柔顺关节设计与实验

针对传统柔顺关节运动范围小、易产生轴向漂移的不足,依据3RRR并联机器人运动范围,以关节的移动范围及所需刚度作为条件,对关节的几何尺寸进行了设计计算,并用ANSYS软件进行强度分析,设计了一种新型开槽式薄壁柔顺关节。利用扭转作为主要变形方式时,该柔顺关节具有扭转角度可达到36°及轴线相对固定不易漂移的优点。根据关节设计尺寸选择65Mn为材料进行了加工,在三自由度并联机器人实验平台上进行了片簧式与开槽式两种柔顺关节的实验对比,实验结果表明设计的开槽式薄壁柔顺关节能够完成轨迹跟踪任务,且最大相对误差为6.05%,对比片簧式柔顺关节具有一定优越性。     

移动并联多功能农业机器人机构设计与仿真

课题组对一种移动并联多功能农业机器人进行了机构设计与仿真。将具有全方位移动能力的移动平台和三自由度并联机构相结合,在并联机构动平台上装载高压雾化喷头,实现农药或水资源的精准喷洒,节能减排;对机器人的相关机械结构进行模块化设计,并对承重部件进行有限元分析;最后在实验室场地进行相关模拟实验。仿真结果表明,该农业机器人具有稳定的行走能力,并能够快速精准定位到目标作物上方相应位置,进行精准作业。     

多喷枪协同式喷涂五轴混联机器人设计

针对大型扁平型立方体工件的喷涂工艺特点,将并联机构应用于喷涂工艺,设计了一种控制解耦性很好的五轴混联喷涂机器人,阐述了这种喷涂机器人的机构设计、工作原理、运动学分析、驱动方式、控制系统硬件组成及其控制方式。该机器人具有结构紧凑、喷涂效率高、涂层厚度均匀和操作简便等特点,具有较好的应用前景。     

柔性并联机器人动力学建模

针对一般柔性并联机器人动力学模型,提出了一种精确而简单的动力学建模方法.根据并联机器人结构特点,将其划分为若个刚性子结构和弹性子结构,形成一个刚柔结合的系统.静平台和动平台相对其他构件变形较小,将它们作为刚性子结构,各个支链作为弹性子结构.分别建立各子结构的动力学方程,弹性子结构采用有限元法和模态综合法建立其动力学方程;考虑各个柔性支链弹性变形对刚性子结构的影响,建立刚性子结构动力学方程;推导出相邻的刚性子结构和弹性子结构之间的几何约束关系.通过相邻子结构的协调矩阵,将各个子结构的方程进行装配形成系统的弹性动力学方程.通过一种高速并联机械手的动力学特性比较分析,表明该方法的正确性和可行性.由于引入刚性子结构和采用了模态综合法,减少了系统自由度数,从而简化了计算模型,为柔性并联机器人提供一种实用的建模方法.     

柔顺关节并联机器人动力学模型

首次采用初始弯曲梁的伪刚体模型建立了柔顺关节的双1R伪刚体模型,应用拉格朗日方程和虚拟切割法推导了柔顺关节并联机器人系统动力学方程。对方程进行了数值求解,结果显示在理想结果的基础上存在低幅高频振动,而简化模型结果却比较理想,这表明理论模型比简化模型更能反映柔顺关节并联机器人这种刚柔耦合系统的特征;同时理论轨迹与ADAMS-ANSYS联合仿真轨迹、实验轨迹进行对比,最大相对误差分别为2.41%和4.69%,验证了理论模型的正确性。     

农业机器人并联视觉云台研究

针对智能农用机器人对机器视觉工作范围的需求,提出了一种用于农业机器人的并联视觉云台设计方案。基于双摇杆的输入输出特性,提出了一种运动支链设计方法,用于构建二自由度全球面工作空间解耦并联机构。在此基础上,衍生出两种可行的运动支链P5R和PRR,基于这两种运动支链,设计了2种二自由度全球面工作空间并联视觉云台RRP5R和RRPRR。通过运动学分析,分别建立了2种机构的位置关系表达式;通过尺寸优化,得到了2种机构的最优杆长比;通过对比得出,RRP5R型并联视觉云台具有更好的输入输出性能;通过有限元分析,研究了载荷对RRP5R型并联视觉云台运动精度的影响。结果表明,RRP5R机构强度满足要求,但杆件的累积弹性变形导致运动副的位移偏差较大。     

农业并联机器人同步滑模控制

农业并联机器人的多支链相对末端执行器运动的协调性、耦合性成为并联机器人运动控制的难题,鉴于此,提出一种将同步控制与滑模控制相结合的控制方法。仿真和实验结果表明,该控制方法跟踪性能好,响应速度快,系统误差小,具有较强的鲁棒性,能够满足并联机器人的控制要求。     

RRR冗余并联机器人驱动力优化

为了在机构中实施内力控制,提出了一种基于功率优化的驱动力分配策略。首先,提出一种冗余平面并联机器人运动学和动力学分析的方法。用螺旋理论推导了机构雅可比矩阵,基于牛顿〖CD*2〗欧拉公式计算主元点的惯性力螺旋,用虚功原理构建动力学公式。然后,基于力优化,分别分析了4〖CD*2〗RRR机构和3〖CD*2〗RRR机构的驱动力,比较结果表明4〖CD*2〗RRR的驱动力峰值有所下降。最后,基于功率优化,对4〖CD*2〗RRR的内力和驱动力进行优化,得到了机构内力和驱动力的变化规律。     

Delta并联机器人弹性动力学研究

采用有限元理论建立Delta并联机器人柔性构件的运动微分方程,结合机构的运动特点,规定了结点位移的方向,得到机构系统的动力学模型.将机构的真实运动看作名义运动与弹性振动的叠加,同时将动平台的位置和方向误差看作名义运动的摄动,得出动平台位形误差与结点位移的关系方程.在实例中,综合考虑重力、惯性力及阻尼共同作用下的动力响应,得到机构模态频率在工作空间的特性,对动平台的6维误差进行了全面评估.     

樱桃采摘机器人设计——基于PLC高速并联自动化控制

为了降低樱桃采摘机器人采摘过程中的樱桃破碎率,提高机器人的工作效率,设计了一款新的基于模糊控制和高速并联自动化控制的机器人。该机器可以利用PC上位机对樱桃图像进行采集,并可以对图像进行二值化、膨胀腐蚀处理,从而成功地识别成熟樱桃;同时,可以使用模糊PLC控制方法对采摘机器人的响应角度误差进行控制。为了验证机器人的性能,使用樱桃采摘试验的方法对樱桃采摘机器人的性能进行了测试。结果表明:高速并联自动化控制的樱桃采摘机器人总体采摘时间有了明显的缩短,工作效率有所提高;通过模糊控制可以使采摘机器人角度的响应平稳地达到指定角度,且没有出现大的超调量,有利于樱桃的采摘,降低了破碎率。     

基于CAD的喷涂机器人轨迹优化

针对复杂自由曲面匀速和等行程间距喷涂方法,因曲面上曲率的变化会造成涂层厚度差较大的问题,提出一种基于CAD的轨迹优化算法以提高曲面的漆膜厚度一致性.该方法首先根据平面上的喷涂试验和微分几何的面积放大定理推导出曲面上的漆膜生长模型;然后通过扫描直接获得工件表面点云模型,采用点云切片技术获取喷枪路径和姿态;最后采用沿路径方向的速率优化算法和垂直路径方向的间距优化算法对曲面上的喷枪轨迹进行优化.仿真和试验结果验证了优化算法的有效性和轨迹生成算法的可行性.     

面向狭长空间的三自由度并联机器人设计与建模

并联机器人因具有刚度大、结构稳定、承载能力大和运动负荷小等优点,在农业和工业等领域得到了广泛的应用。现有大部分并联机器人因支链呈空间对称分布,难以进入狭长空间工作。因此,针对狭长的工作环境,提出了一种新型三自由度并联结构,该机构整体沿一条直线导轨方向布置,减少了垂直于导轨方向的宽度,使之易于放入狭窄的空间内,同时能拥有较大工作空间,并实现3个自由度上的平动运动。通过G-K公式计算机构自由度;验证了该并联机器人设计的合理性;对平台进行了运动学和动力学分析;并根据遗传算法分析其奇异性;通过解析法对机构工作空间进行了分析。研究成果为三自由度并联机器人进入狭长空间工作提供了新的思路与构型。     

并联机器人智能控制的实现及发展

本文对并联机器人智能控制项目的实现和应用过程进行简要分析,并着重阐释了并联机器人中智能控制项目的仿真发展,旨在为相关研究人员提供有价值的技术参考建议。