高加速度高精度平面并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)與標(biāo)定技術(shù)研究.pdf

1、隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷完善，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展到IC制造中芯片封裝與組裝、MEMS制造中器件封裝與組裝、生物醫(yī)學(xué)工程中的高速點(diǎn)樣移液、高速精密加工及高速掃描檢測(cè)等各方面，對(duì)其行程、速度、加速度和精度同時(shí)提出了極高的要求。高速高精度機(jī)器人的研究應(yīng)運(yùn)而生。然而，機(jī)器人因受其構(gòu)件的慣性及彈性變形、各關(guān)節(jié)的摩擦力以及傳動(dòng)間隙的影響，其精度和響應(yīng)頻率是有限的，如何進(jìn)行有效的機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度與定位精度，實(shí)現(xiàn)高速（高加速）、高精度作業(yè)

2、，是研制此類機(jī)器人中要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文將深入開展新型驅(qū)動(dòng)及機(jī)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、精度分析與設(shè)計(jì)方法以及運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定技術(shù)等高速高精度機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究。
　　針對(duì)芯片封裝等領(lǐng)域?qū)Ω咚俑呔茸鳂I(yè)的實(shí)際需求，在全面分析國(guó)內(nèi)外高速高精度機(jī)器人研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合并聯(lián)機(jī)構(gòu)與直接驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，研制出一種新型平面并聯(lián)機(jī)器人：采用高性能直線音圈電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)含有平行四邊形支鏈的并聯(lián)桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)末端平臺(tái)的2-DOF平動(dòng)，該方案降低了機(jī)械

3、傳動(dòng)誤差，減小了運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，提高了系統(tǒng)的剛度，易于實(shí)現(xiàn)高速、高加速和高精度的運(yùn)動(dòng)。
　　在運(yùn)動(dòng)學(xué)方面，首先通過(guò)機(jī)器人的基本構(gòu)型建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)等式與速度等式；然后基于雅可比矩陣進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)靈巧度分析與奇異位形分析，并得到了機(jī)器人的最佳機(jī)構(gòu)構(gòu)型；最后在無(wú)奇異和良好的力傳遞條件下，以全局性能指數(shù)為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了機(jī)器人的靈巧工作空間綜合，得到了正方形工作空間的最佳位置與配置方式。
　　在動(dòng)力學(xué)方面，建立了機(jī)器人的拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程，

4、基于動(dòng)力學(xué)方程分析了機(jī)器人的速度特性、加速度特性以及動(dòng)態(tài)可操作性；并結(jié)合運(yùn)動(dòng)靈巧度與動(dòng)態(tài)可操作性構(gòu)造了高加速度高精度機(jī)器人的綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，據(jù)此對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了尺度參數(shù)優(yōu)化綜合；最后對(duì)幾種典型工況進(jìn)行了剛體動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真，為直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇提供了依據(jù)。
　　在精度分析方面，首先采用封閉矢量關(guān)系微分法建立了含有連桿長(zhǎng)度誤差和關(guān)節(jié)間隙在內(nèi)的機(jī)器人誤差模型，并根據(jù)機(jī)構(gòu)中含有平行四邊形支鏈的特點(diǎn)，有效地分離了位置誤差與姿態(tài)誤差，簡(jiǎn)化了機(jī)

5、器人精度分析的復(fù)雜性；然后通過(guò)誤差映射矩陣，建立了誤差靈敏度評(píng)價(jià)函數(shù)，對(duì)影響機(jī)器人位姿誤差的幾何誤差源進(jìn)行了靈敏度分析；最后采用蒙特卡羅法對(duì)不可補(bǔ)償?shù)淖藨B(tài)誤差進(jìn)行了精度綜合研究，給出了滿足姿態(tài)誤差限制條件下姿態(tài)誤差源的加工或裝配誤差要求，為機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。
　　在運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定方面，在對(duì)各種現(xiàn)有的標(biāo)定方法進(jìn)行了仿真分析與比較的基礎(chǔ)上，結(jié)合幾何誤差迭代法與逆標(biāo)定法，提出一種分步標(biāo)定與參數(shù)辨識(shí)方法。采用這種方法，通過(guò)測(cè)量機(jī)器人

6、末端沿x軸和y軸方向的位置誤差，即可辨識(shí)出機(jī)器人的各種幾何誤差源以及末端繞z向的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差。實(shí)驗(yàn)證明，采用提出的分步標(biāo)定與參數(shù)辨識(shí)方法可有效補(bǔ)償機(jī)器人末端在平面內(nèi)的位置誤差，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高精度運(yùn)動(dòng)定位。
　　最后，本文建立了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)機(jī)器人的位姿重復(fù)性、位姿分辨率、最大運(yùn)行速度、最大運(yùn)行加速度等性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)大行程(55mm×55mm)、高加速度(12g)、高精度(2μm)的運(yùn)動(dòng)定位，可以滿足芯片封裝等領(lǐng)