摘 要

近年来，我国的机器人领域飞速发展，随着“中国制造2025”的推行以及工业4.0时代的带来，预计到2020年，基本建成以市场为导向、企业为主体、产学研用紧密结合的机器人产业体系；目前由于我国机器人起步晚、占比小、核心零部件依赖进口、机器人拥有量小、增速快，所以对于机器人的研究愈发显得重要和迫切。在这样的国内情形下，本文对一种三自由度并联机构位置调整装置进行了研究，设计了一种3-RPS并联机构，用于精密加工、医学治疗和微电子行业上，主要内容如下：

首先对3-RPS并联机构进行了设计和分析，运用空间姿态的欧拉角表示方法对其动平台的位姿描述进行了定义，然后运用解析法求出了3-RPS并联机器人的反解公式并对机构的速度雅可比矩阵进行了推导。

其次对3-RPS并联机构进行了静力学分析，先对一条支链进行受力分析，得到了静力平衡方程，推导出了力雅可比矩阵，建立了外力和驱动力及约束力之间的映射关系。

然后运用Matlab中Simulink模块中的一个子库simmechanics进行了对工作空间的仿真，首先对3-RPS一条支链进行了建模然后建立一个整体的3-RPS并联机构的simmechanics模型，最后向模型中输入位姿参数和驱动方程，通过编程实现了对并联机构工作空间的仿真。

之后根据设计的机构参数对3-RPS并联机构在solidworks中进行建模，将建好的模型导入到Adams中进行仿真，对机构的自由度进行了以及反解进行了验证，对机构的速度和运动时受到的驱动力进行了仿真和验证，为并联机构的运动控制和设计选型奠定了基础。

最后根据仿真和计算分析得到的数据对并联机构的驱动机构进行了选型和理论计算。

关键词：3-RPS并联机器人；运动学分析；工作空间；虚拟样机仿真

Abstract

In recent years, China's rapid development of robotics, with "made in China 2025", as well as the implementation industrial 4.0 times brings, is expected by 2020, basically completed by the market as the guidance, enterprises as the main body, in close connection with the industrial robot system of production, learning and research. At present the robot in China started late, accounting for ratio is small, the core components of the dependence on imports, robots have small volume, fast growth, so for robot research is increasingly important and urgent. Under such domestic situation, this paper of a three degree of freedom parallel manipulator position adjusting device were studied for a 3-RPS parallel mechanism is designed, used for precision machining, medical treatment and microelectronics industry, the main contents are as follows:

First of the 3-RPS parallel mechanism were design and analysis, using spatial attitude Euler angle representation of the position and posture of the moving platform description are defined, then for 3-RPS parallel robot inverse formula and the velocity Jacobian matrix is derived by using analytical method.

Secondly the 3-RPS parallel mechanism were static analysis, first of a branched chain carries on the stress analysis, get the static equilibrium equation is derived the force Jacobian matrix, establish the external force and the driving force and binding force between the mapping relationship.

Then use matlab Simulink module in a sub library SimMechanics simulation of work space, first of all on 3-RPS a branched modeling and establish a whole of the 3-RPS parallel mechanism SimMechanics model, finally to the model input pose parameters and the driving equation, simulation of the working space of parallel mechanism is realized by programming.

After according to the design parameters of the mechanism of 3-RPS parallel mechanism in the SolidWorks modeling, and will be built, the model is imported into ADAMS simulation, the degrees of freedom are and inverse solutions are verified, speed and movement of the agency by the driving force simulation and verification, for the parallel mechanism motion control and design selection laid the foundation.

Finally, according to the data obtained from the simulation and calculation analysis, the selection and calculation of the driving mechanism of the parallel mechanism are carried out.

Keywords：3-RPS parallel robot；kinematic analysis；work space；Virtual prototyping simulation

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 并联机器人概述 1

1.2 三自由度并联机器人国内外研究现状 4

1.2.1 结构研究 4

1.2.2 运动学研究 4

1.2.3 动力学研究 4

1.2.4 工作空间及奇异性研究 5

1.3 主要研究内容 5

1.4 本章小结 5

第2章 三自由度并联机构运动学分析 6

2.1 三自由度并联机器人构型的设计 6

2.1.1 三自由度并联机构构型的选择 6

2.1.2 3-RPS机构的介绍 6

2.2 三自由度并联机器人运动学分析 7

2.2.1 三自由度并联机器人运动坐标系 7

2.2.2 机构位置反解分析 10

2.2.3 机构位置正解分析 13

2.2.4 并联机构速度分析 15

2.3 本章小结 18

第3章 三自由度并联机构静力学分析 19

3.1 RPS分支的受力情况 19

3.2 3-RPS机构并联机构静力平衡 20

3.3 本章小结 23

第4章 三自由度并联机构工作空间分析 24

4.1 工作空间的概述 24

4.1.1 工作空间的定义 24

4.1.2 影响工作空间的因素 24

4.2 SIMMECHANICS仿真 24

4.2.1 SimMechanics子模块组的介绍 25

4.2.2 SimMechanics分析3-RPS并联机构的工作空间 26

4.3 本章小结 30

第5章 基于ADAMS的虚拟样机仿真分析 31

5.1 Solidworks建模 31

5.2 Adams模型的建立 33

5.3 3-RPS并联机构运动学仿真 35

5.3.1 并联机构自由度验证 35

5.3.2 并联机构运动反解验证 36

5.3.3 并联机构速度仿真分析 39

5.4 动力学仿真分析 42

5.5 本章小结 46

第6章 驱动机构的设计与选型 48

6.1 三种驱动机构的比较 48

6.2 伺服电机的选型 49

6.3 本章小结 51

结论 52

参考文献 53

致谢 54

绪论

并联机器人概述

虽然并联机器人有数种定义，但是从构型的综合的角度来考虑，将运动链包含在定义中比较重要，所以我们采取以下定义：并联机构是一类在动平台（moving platform）与基座（base）之间包含至少两个串联运动链的多自由度机构。这里的串联运动链通常又称为“腿或分支”。和串联机器人相比，并联机器人有自己的特点^[1]，如表（1.1）所示。

表1.1 并联机器人与串联机器人对比

关于多自由度并联机器人的研究工作最早于19世纪初的时候James E.Gwinnett设计了一种并联机器人用于游乐场娱乐（如图1.1），并在1928年对这个机构申请了专利。之后再19世纪40年代，Willard L.V.Pollard和Eric Gough相继设计了服务于工业应用的多自由度并联机器人（如图1.2）。然后直到1965年学者Stewart提出飞行模拟器的概念（如图1.3），这个思想才引起很高的关注。