三自由度并联机器人轨迹规划及其控制实现

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1、大连理工大学硕士学位论文1绪论1．1课题研究背景及意义随着信息技术、计算机控制技术的不断发展，作为装备制造业核心功能部件的工业机器人，在自动化生产系统中有着越来越重要的位置。如今，工业机器人已经广泛应用在工业自动化中，用于取代人工来完成焊接、喷涂、装配、包装、搬运等作业，成为降低生产成本、提高工作效率、保障产品质量不可或缺的重要工具。作为工业机器人中主要类别之一，并联机器人是由多分支运动链组成的闭环结构，相比串联工业机器人，具有高刚度、高精度、高负载、结构紧凑等特点【1。21。因此，由于具有上述功能和特点，并联机器人迅速成为了学术界

2、和工业界竞相研究的热门领域。少自由度并联机器人于19世纪80年代诞生，其中具有代表性的为法国学者Clavel博士研发的Delta机器人【3】'如图1．1所示。该机器人采用平行四边形支链形式，由旋转副驱动可实现末端在三个坐标方向的平动，应用在医疗、电子、包装、食品等轻工行业中能够代替人工完成分拣、拾取、包装等大量重复性工作，可有效解决劳动强度大、工作乏味以及低工作效率等问题。因此，由于具有上述实用价值，三自由度并联机器人在市场上被迅速推广并且需求量日益增加，根据美国ARCAdvisoryGroup的调查，目前已经至少有250000条食

3、品及医药生产线正在应用机器人技术对现有产品线升级【41。我国机器人产业起步较晚，在并联机器人领域的研究还比较落后，自主研发的机器人存在通用化程度低、成本高等问题，面对国内市场对机器人曰益增强的需求只能依赖进口来缓解供需矛盾，这在一定程度上制约了我国工业自动化的发展进程。因此，从产业层面说，研究三自由度并联机器人一方面能积极推进机器人产品系列化、通用化的进程，另一方面对促进我国轻工业自动化的发展也有着现实意义。图1．1Delta机器人原型机构Fig．1．1Theprototypemechanismofdeltarobot三自由度并联机

4、器人轨迹规划及其控制实现轨迹规划是机器人控制的一个重要模块，它对控制系统性能的稳定起着关键作用，其关键技术是如何设计一种可靠轨迹使机器人整个运动过程平稳、可靠，避免奇异位姿以及最大程度减小冲击和振动。目前，国内自主设计和生产的并联拾取机器人一定范围内存在运动曲线不够平滑，控制系统不够稳定的问题，严重影响了工作效率和工作质量，为了从根本上解决这些问题，需要对机器人进行轨迹规划，提出一条合理的轨迹，使其在高速拾取运动的过程中平稳、可靠。而机器人的运动轨迹最终都是在操作空间中表现出来，在操作空间中进行轨迹规划能更简单、清楚地表达机器人使用

5、需要。所以，本文以自主设计的三自由度并联机器人为研究对象，在操作空间中对其轨迹规划方法进行研究，提出一种运动轨迹，不仅保证了高速运动时的良好动态性能，而且提升了机器人的拾取效率。1．2三自由度并联机器人发展与研究现状1．2．1三自由度并联机器人发展概述在80年代末，工业的蓬勃发展使得在一些轻工行业中，人工拾取、包装的形式无法满足产业发展需求，严重阻碍了劳动生产率的提高。因此，国外一些自动化设备厂家开始将适用分拣、拾取、包装的自动化设备一一Delta机器人推向市场。该机器人凭借高定位精度、高负载能力、结构紧凑等特点在全球范围被广泛推广

6、，并迅速获得了工业界机器人公司和学术界科研人员的重点关注。90年代初，瑞士洛桑的Demaurex公司【5l出售了第一台应用包装领域的Delta机器人，如图1．2所示。该机器人基座安装在工作平台上，三条机器人手臂则从基座外伸出沿基座平面均匀分布，手臂末端则和三角平台连接，通过电机驱动可以实现三角平台沿着x、】厂、z方向平移运动。作为第一代Delta机器人产品，该机器人结构尺寸较大、外观朴实，目前，主要应用于包装工业、医疗和制药行业等。90年代末，瑞典ABB公司开发出灵手(FlexPicke)机器人，如图1．3所示。由于该机器人是以Cl

7、avel教授发明的Delta机构为基础进行开发的，因此，机构形式和工作自由度和Delta机器人均相同，但是外观更加美观，性能更优，并且集成了先进的图像识别技术，在正常工作条件下，该机器人拾取频率可达到120件／分钟，机器人末端速度可达10米／秒。大连理工大学硕士学位论文图1．2Demaurex公司Delta机器人Fi91．2DeltarobotofDemaurex图1．3ABB公司FlexPicke机器人Fi91．3FiexPickerobotofABB进入21世纪后，随着工业设计水平、工业控制技术、图像处理技术的快速发展，机器人产

8、业研发水平有了进一步提升，Delta机器人也逐渐开始朝着高精度、高灵活性等方向发展，产品外形设计也愈加美观。近些年，Bosch、Fanuc、Adept等机器人公司相继推出了Delta机器人系列产品，如图1．4～图1．7所示，这些产品在