delta并联机器人的优化设计与运动2f视觉控制技术研究

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1、华中科技大学硕士学位论文适用于食品、医药、3C等行业生产线快速抓放操作的Delta并联机器人，代替人工操作。期望通过本课题的研究，为Delta并联机器人的结构参数优化设计、运动规划、运动控制技术和视觉控制技术提供充分的理论支撑和积累相应的工程实践经验，提高我国食品、医药、3C等制造领域的自动化水平。由于三维平动和一个方向的旋转运动是分开的两个部分，且空间内的三维平动才是Delta并联机器人最重要的运动性能，所以本文主要研究实现其三维平动的相关内容。1.2国内外研究现状与分析1.2.1Delta并联机器人Delta并联机器人的动平台可

2、实现空间内的三维平动，再加上可以实现垂直于水平方向的旋转运动，动平台共具有四个自由度，可完成SCARA型串联机器人能够实现的所有功能。由于其具有结构简单、整体刚度大、质量轻、高速高精度、控制简单和制造成本低等优势，已被广泛应用于各种生产线上的抓放、分拣、包装等操作，也是应用最为广泛的一种并联机器人[6]。aADEPTbABB2华中科技大学硕士学位论文cFANUCdCODIAN图1.1国外较新的Delta并联机器人产品目前产品较为成熟并且应用较多的主要是欧洲、美国、日本等国的几家机器人设备公司，如ADEPT、ABB、FANUC及COD

3、IAN，它们的Delta并联机器人产品代表着国际上最先进的技术和最高的水平，其较新的产品如图1.1所示，同时下表1.1为其主要性能参数。表1.1几款国外产品的主要性能参数性能指标ADEPTABBFANUCM-CODIAND1-S650HIRB360/33iA/6A1300HD额定载荷（kg）2363重复定位精度（mm）0.10.10.10.2工作范围(mm)1300-5001130-2501350-5001300-250轴数4464最大速度(m/s)10101010最大加速度(g)15101215从表1.1可得出结论，欧洲、美国、日

4、本等国产品的性能指标参数大致相同，额定载荷都在2kg到6kg的范围内，重复定位精度大多都能够达到0.1mm，最大速度都能够达到10m/s，最大加速度最小的也可达到100m/s2，这些参数代表着目前Delta3华中科技大学硕士学位论文并联机器人的最高水平。如图1.1a所示，ADEPTS650H是在传统Delta并联机构基本上的改进和创新，其拥有四个支链，不仅能够实现所有的功能，而且因为有四个电机共同作用，所以提高了速度和负载能力[7]。ABBIRB360/3沿用了Delta机器人的原型设计[8]，如图1.1b所示。FANUCM3iA/

5、6A的三条支链和Delta的原型相同，如图1.1c所示，其机械人前端装有复合三轴手腕，这样机器人合计共有6个自由度，不仅可以实现空间内的三维平动，还可以任意的改变物品的角度[9]。CODIAND1-1300HD同样采用了Delta的传统结构，如图1.1d所示，但是其外观更加新颖好看[10]。图1.2Diamond二自由度平面机械抓手相对于国外1988年提出Delta机构并迅速展开大量研究，我国的研究则起步较晚，并长时间处于落后水平。具有研究成果的主要是21世纪初，天津大学的黄田教授将Delta并联机构简化为Diamond平面机械抓手

6、[11]，如图1.2所示，其末端执行器加速度最高可达100m/s2。a新松并联机器人b微柏并联机器人图1.3国内Delta并联机器人之后，也就是最近十年来，专利保护的解限、工业需求的刺激、柔体动力学的发展等才使得Delta系列机器人的研究丰富起来。中国科学院沈阳自动化研究所、哈尔4华中科技大学硕士学位论文滨工业大学、天津大学、华中科技大学、大连理工大学等高校科研院所均展开了大量研究，主要涉及工作空间分析、位置正逆解求解、动力学模型的建立、运动控制器的设计等方面的理论研究。目前国内仅有少数几家公司刚刚研制出Delta并联机器人，如图1

7、.3所示，产量和市场占有率都还较低。因此，我国的高速高精度、稳定性强的Delta并联机器人相关技术急待加强。1.2.2运动学机器人的位置正逆解分析是末端执行器笛卡尔空间与主动臂关节空间的相互转化问题，是机器人运动学分析首先要解决的问题，也是工作空间的求解、任务空间分析、精度分析、动力学方程式的求解和对其他各项性能进行分析的前提。根据求解方向的不同，其包含位置正解和位置逆解两个部分。若已知驱动关节的输入变量，求解末端执行器在笛卡尔空间中的位置坐标，称为位置正解；当已知末端执行器在笛卡尔空间中的位置坐标，反过来求解驱动关节的角度时，称之

8、为位置逆解。串联机器人机构的位置正逆解分析中，若已知各连杆的旋转角度，是很容易得出末端执行器唯一的空间位置，因此其正解比较容易；当已知末端操作器的位置坐标，反过来求解串联机器人各连杆的角度时，就会经常出现多解或者无解的情况，尤其是轴数