新型3-支鏈6-DOF并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能研究.pdf

1、具有6個(gè)支鏈6-DOF(Degree of Freedom)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)取得了相當(dāng)多的成果。目前廣泛使用的6-DOF并聯(lián)機(jī)構(gòu)絕大多數(shù)都為Stewart機(jī)構(gòu)或者通過變形得到的類似機(jī)構(gòu)。這類機(jī)構(gòu)通過6個(gè)支鏈分別連接上下平臺(tái)，多采用移動(dòng)單元為驅(qū)動(dòng)，機(jī)構(gòu)末端實(shí)現(xiàn)6-DOF運(yùn)動(dòng)。這種經(jīng)典的并聯(lián)機(jī)構(gòu)其末端運(yùn)動(dòng)的輸出變量之間具有高度的耦合性，且工作空間相對(duì)狹小，易發(fā)生構(gòu)件干涉，奇異位形多，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可控性較差。因此，開發(fā)同樣具有6-

2、DOF運(yùn)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并且機(jī)構(gòu)末端的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)一定的解耦效果，且能夠用簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)表達(dá)，并具有較大的運(yùn)動(dòng)空間，工作空間內(nèi)少奇異，各構(gòu)件之間不易發(fā)生干涉，這樣的并聯(lián)機(jī)構(gòu)是未來發(fā)展的主要方向。
　　作為6-DOF并聯(lián)機(jī)構(gòu)的重要補(bǔ)充，本文設(shè)計(jì)了一種新型的3-支鏈6-DOF并聯(lián)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)只有三個(gè)運(yùn)動(dòng)支鏈，為UP3R支鏈類型。每個(gè)支鏈配備兩個(gè)驅(qū)動(dòng)，一個(gè)是有移動(dòng)驅(qū)動(dòng)、另一個(gè)是轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。機(jī)構(gòu)末端的三個(gè)移動(dòng)輸出和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輸出能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)

3、的半解耦；工作空間相比Stewart機(jī)構(gòu)也有相當(dāng)程度的增加；具有簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)表達(dá)式，且能夠求出末端位姿的解析解形式?；谶@種少支鏈類型3-支鏈6-DOF的并聯(lián)機(jī)構(gòu)本文將圍繞下面幾個(gè)問題做具體的研究。
　　(1)綜合研究了3-支鏈6-DOF的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)成形式，基于GF集的機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)方法，提出了一類少支鏈3-3T3R并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，獲得了24種拓?fù)錁?gòu)型。最后，選擇UP3R型支鏈構(gòu)造本文提出的三支鏈3T3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。使該類型支

4、鏈具有確定的末端運(yùn)動(dòng)特征，具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)性能，沒有瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)。
　　(2)著重研究機(jī)構(gòu)末端輸入與輸出之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立了3-支鏈6-DOF并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束方程。首先，給定機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器的輸入，研究機(jī)構(gòu)輸入的解析表達(dá)式。其次，給定一組驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的輸入后，求解了與之對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器的輸出，并給出了機(jī)構(gòu)輸出的解析表達(dá)式。根據(jù)機(jī)構(gòu)位置輸出的解析表達(dá)式，給出了2種基于位置解的位形；根據(jù)機(jī)構(gòu)姿態(tài)輸出的解析表達(dá)式，給出了8種基

5、于姿態(tài)解的位形。并綜合位置和姿態(tài)的位形，得到了一種基于末端位姿解的最佳位形。
　　(3)根據(jù)所研究機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)，給定機(jī)構(gòu)任務(wù)空間，提出了一種基于給定工作空間的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，用于尋找機(jī)器人的最小尺度參數(shù)，給出了設(shè)計(jì)實(shí)例，提出一種穩(wěn)定設(shè)計(jì)指標(biāo)，利用這個(gè)指標(biāo)確保機(jī)構(gòu)距邊界工作空間有一個(gè)安全距離。使這種方法能夠容易地找到合適的參數(shù)以最小的工作空間包圍給定的任務(wù)空間，提高了設(shè)計(jì)效率，并且確保機(jī)器人擁有最小的尺度較大的工作空間；另外，就機(jī)構(gòu)尺

6、度而言，使之符合輕量化的設(shè)計(jì)要求；基于提出的設(shè)計(jì)方法，制造機(jī)器人機(jī)構(gòu)樣機(jī)。
　　(4)考慮U副的定位誤差，關(guān)節(jié)間的間隙，以及驅(qū)動(dòng)的誤差，建立了關(guān)于這三部分誤差的誤差模型。利用疊加原理，分別求取了單方面因素對(duì)機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器精度的影響，三部分誤差的累積對(duì)機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器精度的影響。利用建立的誤差模型研究精度補(bǔ)償?shù)姆椒?，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證精度補(bǔ)償?shù)男Ч?br>　　(5)在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，研究機(jī)構(gòu)末端的形變與外力及外力矩的關(guān)系，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行剛