Design of a planar three-freedom flexible joint parallel robot
平面并联三自由度柔性铰链机器人设计
项目概述
大型光学望远镜观测过程中，姿态变化、环境温度波动及重力作用易引发结构变形，导致主镜与次镜相对位移，产生光学失调误差，严重影响成像质量。传统刚性关节并联机构存在间隙、摩擦等问题，难以满足望远镜微小位移补偿的高精度、高刚度及有限安装空间需求。本项目核心聚焦望远镜光学失调误差主动补偿，融合柔性铰链无间隙、无摩擦、响应灵敏的特性与并联机构高刚度、高承载力、结构紧凑的优势，设计一种平面三自由度柔性铰链并联机器人，实现对大质量光学镜片的高精度位移与姿态调整，有效修正结构变形引发的光学误差，提升望远镜在复杂工况下的成像稳定性与精度，为大型光学望远镜主动光学补偿系统提供可靠的机械结构解决方案。
个人负责工作
本人全程主导该机器人的设计、仿真、实验验证全流程工作，具体负责内容如下：
- 整体结构设计与选型：确定平面三自由度并联机器人总体设计思路，完成机构构型选型，选用RPR型并联机构与十字交叉型柔性铰链，设计动平台、移动副等核心部件的结构参数，兼顾高刚度、轻量化与结构紧凑性，适配望远镜安装空间需求。
- 核心部件设计与优化：负责移动副与线性驱动器设计，采用电机驱动滚珠丝杠结构，增设LVDT位移传感器实现位移精准检测；设计双层对称式动平台，通过减重孔优化实现轻量化与高承载平衡，确保200kg负载下的结构稳定性。
- 运动学、动力学建模与仿真：建立机器人运动学数学模型，完成逆解运动学求解；利用SolidWorks/Simulation开展有限元分析，包括动平台、柔性铰链及整机的模态分析与刚度仿真；基于Matlab搭建运动学仿真平台，计算机构工作空间，验证不同轨迹下的运动特性，为结构优化提供理论支撑。
- 实验平台搭建与性能验证：利用CNC技术加工零件，完成实验样机组装与校准；开展驱动副重复定位精度、运动分辨率及整机位移测试，采用LVDT、万分表等高精度设备采集数据，分析实验误差，验证设计方案的合理性与可行性。
项目成果
- 毕业论文：项目研究成果形成本科毕业论文《平面并联三自由度柔性铰链机器人设计》，系统阐述了机器人的结构设计、建模仿真、实验验证全过程，通过学校审核，获得良好评价，为同类高精度并联机器人设计提供参考。
- 实物与技术突破：完成平面并联三自由度柔性铰链机器人实物制作与调试，突破柔性铰链与并联机构的协同设计难题，实现微米级重复定位精度（≤1μm）、0.5μm运动分辨率，整机刚度满足望远镜光学补偿需求，验证了设计方案的实用性与可靠性。
- 仿真与实验成果：完成全套运动学、动力学仿真分析，明确机构工作空间与运动特性；搭建完整实验平台，形成系统的实验数据与误差分析报告，验证了有限元仿真模型的准确性，为后续闭环控制与误差补偿系统优化奠定基础。