一類球坐標型混聯(lián)機器人靜剛度建模理論與方法研究.pdf

1、本文緊密結合新型可重構5自由度混聯(lián)機器人TriVariant-B的樣機開發(fā)，系統(tǒng)研究了一類少自由度球坐標型并聯(lián)構型裝備的靜剛度解析和半解析建模、有限元分析、性能指標評價及靈敏度分析等相關理論與方法。論文取得了如下創(chuàng)造性成果： □以Tricept和TriVariant系列5自由度混聯(lián)機器人為例，利用攝動法提出一種構造可描述含恰約束主動/從動支鏈球坐標型并聯(lián)機構全變形雅可比矩陣的建模方法，利用該矩陣可有效地分離出上述并聯(lián)機構操作空間

2、變形與關節(jié)空間變形在驅動和約束空間中的映射關系，進而為后續(xù)整機靜剛度分析奠定了堅實的運動學基礎。 □利用全變形雅可比矩陣和變形疊加原理，系統(tǒng)研究了少自由度球坐標型并聯(lián)機構靜剛度解析建模方法。該方法利用靜態(tài)凝聚技術和變形協(xié)調條件，有效地解決了恰約束支鏈彎曲剛度的精準建模問題，修正了前人所提出的結論。研究結果表明，利用全變形雅可比矩陣建立的剛度模型具有列式簡潔，物理意義明確，通用性強等優(yōu)點，并充分體現(xiàn)了速度與剛度模型在數(shù)學層面上的內

3、在聯(lián)系。 □以TriVariant-B機器人為例，提出一種計及復雜機架柔性的并聯(lián)構型裝備整機靜剛度半解析建模方法。該方法基于結構力學中的子結構綜合思想，首先將整機系統(tǒng)分解為機構和機架兩個子系統(tǒng)，然后建立各子系統(tǒng)的剛度矩陣，最后利用線性疊加原理構造整機系統(tǒng)的剛度模型。在機架子系統(tǒng)剛度建模中，提出一種采用商用有限元軟件及靜態(tài)凝聚技術構造機架子系統(tǒng)界面剛度模型的有效方法，大幅度提高了計算效率。利用這種建模方法，可在概念設計階段實現(xiàn)整個

4、工作空間中的整機剛度快速預估，進而為指導系統(tǒng)的詳細機械設計提供了有力的工具。 □借助商用有限元軟件ANSYS的參數(shù)化設計語言，系統(tǒng)研究了并聯(lián)構型裝備中各種常用鉸鏈的有限元精確建模技術。提出一種可在不同位形下快速建立整機有限元模型的建模策略與實施方法，有效地提高了計算效率。在此基礎上，構造出計及復雜機架柔性的TriVariant-B混聯(lián)機器人整機剛度有限元模型，并對機架及連架虎克鉸等關鍵零部件的優(yōu)化設計做了有益的探討。 □

5、以TriVariant-B機器人為例，利用整機系統(tǒng)柔度矩陣的最大奇異值，提出一種可評價并聯(lián)構型裝備線剛度和角剛度性能的評價指標。利用該指標并借助靈敏度分析方法，系統(tǒng)考察了該機器人關鍵部件彈性對整機剛度的貢獻，并揭示出機構子系統(tǒng)無約束主動支鏈中的鉸鏈拉壓剛度和恰約束支鏈本體扭轉剛度是影響整機剛度的薄弱環(huán)節(jié)。另外，利用該指標并采用多目標遺傳算法研究了該機器人機構尺度參數(shù)對整機剛度的影響，并據(jù)此提出了改進方案。 □開展了TriVari