高加速度高精度平面并聯(lián)機器人設計與標定技術研究.pdf

1、隨著機器人技術的不斷完善，其應用領域不斷拓展到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)學工程中的高速點樣移液、高速精密加工及高速掃描檢測等各方面，對其行程、速度、加速度和精度同時提出了極高的要求。高速高精度機器人的研究應運而生。然而，機器人因受其構件的慣性及彈性變形、各關節(jié)的摩擦力以及傳動間隙的影響，其精度和響應頻率是有限的，如何進行有效的機器人結構設計，提高系統(tǒng)的響應速度與定位精度，實現(xiàn)高速（高加速）、高精度作業(yè)

2、，是研制此類機器人中要解決的關鍵問題。本文將深入開展新型驅動及機構形式、結構優(yōu)化設計方法、精度分析與設計方法以及運動學標定技術等高速高精度機器人系統(tǒng)的關鍵技術研究。
　　針對芯片封裝等領域對高速高精度作業(yè)的實際需求，在全面分析國內外高速高精度機器人研究現(xiàn)狀的基礎上，結合并聯(lián)機構與直接驅動的優(yōu)點，研制出一種新型平面并聯(lián)機器人：采用高性能直線音圈電機直接驅動含有平行四邊形支鏈的并聯(lián)桿機構來實現(xiàn)末端平臺的2-DOF平動，該方案降低了機械

3、傳動誤差，減小了運動部件的質量，提高了系統(tǒng)的剛度，易于實現(xiàn)高速、高加速和高精度的運動。
　　在運動學方面，首先通過機器人的基本構型建立了運動學等式與速度等式；然后基于雅可比矩陣進行了運動靈巧度分析與奇異位形分析，并得到了機器人的最佳機構構型；最后在無奇異和良好的力傳遞條件下，以全局性能指數(shù)為目標函數(shù)進行了機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。
　　在動力學方面，建立了機器人的拉格朗日動力學方程，

4、基于動力學方程分析了機器人的速度特性、加速度特性以及動態(tài)可操作性；并結合運動靈巧度與動態(tài)可操作性構造了高加速度高精度機器人的綜合性能評價指標，據(jù)此對機器人進行了尺度參數(shù)優(yōu)化綜合；最后對幾種典型工況進行了剛體動力學數(shù)值仿真，為直接驅動電機的選擇提供了依據(jù)。
　　在精度分析方面，首先采用封閉矢量關系微分法建立了含有連桿長度誤差和關節(jié)間隙在內的機器人誤差模型，并根據(jù)機構中含有平行四邊形支鏈的特點，有效地分離了位置誤差與姿態(tài)誤差，簡化了機

5、器人精度分析的復雜性；然后通過誤差映射矩陣，建立了誤差靈敏度評價函數(shù)，對影響機器人位姿誤差的幾何誤差源進行了靈敏度分析；最后采用蒙特卡羅法對不可補償?shù)淖藨B(tài)誤差進行了精度綜合研究，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，為機器人的設計提供了理論基礎。
　　在運動學標定方面，在對各種現(xiàn)有的標定方法進行了仿真分析與比較的基礎上，結合幾何誤差迭代法與逆標定法，提出一種分步標定與參數(shù)辨識方法。采用這種方法，通過測量機器人

6、末端沿x軸和y軸方向的位置誤差，即可辨識出機器人的各種幾何誤差源以及末端繞z向的轉動誤差。實驗證明，采用提出的分步標定與參數(shù)辨識方法可有效補償機器人末端在平面內的位置誤差，實現(xiàn)機器人的高精度運動定位。
　　最后，本文建立了實驗系統(tǒng)，對機器人的位姿重復性、位姿分辨率、最大運行速度、最大運行加速度等性能指標進行了測試。結果表明，系統(tǒng)能實現(xiàn)大行程(55mm×55mm)、高加速度(12g)、高精度(2μm)的運動定位，可以滿足芯片封裝等領