本文密切结合新能源、食品医药、现代物流等领域自动化生产线高速轻载搬运作业需求,在国家863高技术研究发展计划的资助下,研究基于动力学指标体系的Delta高速并联机械手集成优化设计方法,包括刚体动力学建模与动力尺度综合,弹性动力学建模与动态优化设计,运动规律优选等,并结合一台物理原型样机开发,开展相关试验研究,验证所提出设计理论与方法的正确性和有效性。全文取得如下创造性成果:在集成优化设计流程方面,提出一套按动态尺度综合、动态优化设计和最优轨迹规划分层递阶格式实现多个变量的集成优化设计方法,可同时保证系统的运动学、刚体动力学和弹性动力学性能。在动力尺度综合方面,建立机械手运动学和刚体动力学模型,提出一种兼顾运动学和刚体动力学特性的动力尺度综合方法,并在动力学评价指标、性能约束两方面形成特色:(1)动力评价指标。构造具有简约格式的混合动力学模型,定义了作用在单支链驱动关节上惯性项和速度项负载力矩的动力学评价指标,具有形式简洁,物理意义明确,可完整地揭示机构产生奇异位形的条件的特点。(2)性能约束。基于运动学雅可比及其逆矩阵,定义了两类空间传动角,具有几何意义直观,物理意义明确,可定量地描述机构的运动与力传递特性的优点。鉴于传动角与机器人性能代数特征紧密联系,可利用传动角直观描述机器人的运动学性能。在动态优化设计方面,提出一种以子结构位移法为基础的线弹性动力学建模方法,在保证模型精度的前提下,可大幅度提高求解效率。在此基础上,提出两种兼顾低能耗和高动态特性的动态设计方法,通过揭示结构参数、性能指标和约束条件之间的影响规律,综合出一组最优结构参数。在运动规律优选方面,提出一种以降低机械手残余振动为目标的运动规律优选方法,为机械手高速、高精度运行提供了重要保障。在综合性能试验方面,开展Delta机械手负载特性和动态特性试验研究。试验结果表明:该机械手负载特性和动态特性试验值与理论计算值具有良好的一致性,进而验证了刚体动力学和弹性动力学模型的有效性。本文研究成果对丰富和发展机器人机构学设计理论,并推进工程应用具有重要的理论和实用价值。
