4UPS+UPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)奇異特性及動(dòng)力學(xué)建模研究.pdf

1、并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為一種機(jī)器人操作機(jī)構(gòu),其作為輸出執(zhí)行器的動(dòng)平臺(tái)具有“精度高、剛度高、速度高”的特點(diǎn)。由于6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以控制,且部分關(guān)鍵技術(shù)未得到解決,因此并沒有被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中。與傳統(tǒng)6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)相比,少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)、制造和控制的成本都相對(duì)較低的特點(diǎn),目前已經(jīng)成為機(jī)器人研究的一個(gè)新熱點(diǎn)。鑒于此,本文針對(duì)一種4UPS+UPU并聯(lián)機(jī)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和2個(gè)移動(dòng)自由度。以該并聯(lián)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象,對(duì)

2、其運(yùn)動(dòng)學(xué)、奇異位形、工作空間及動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析。主要研究?jī)?nèi)容可概括如下:
　　結(jié)合約束力/矩的性質(zhì)分析了4UPS+UPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)自由度?；跉W拉變換法,對(duì)該并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,得到了其位姿、速度和加速度的解析表達(dá)式以及Jacobian矩陣和Hessian矩陣。通過數(shù)值仿真,得到了給定動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)規(guī)律下的驅(qū)動(dòng)支鏈長(zhǎng)度、速度和加速度的變化規(guī)律。
　　建立了4UPS+UPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)支鏈與動(dòng)平臺(tái)的靜力學(xué)平衡方程,根據(jù)機(jī)構(gòu)靜

3、態(tài)力學(xué)轉(zhuǎn)換矩陣的plǜcker坐標(biāo)表達(dá)式得到6條空間分析直線,基于Grassmann線幾何理論,結(jié)合6條直線之間的線性相關(guān)性研究了該機(jī)構(gòu)的奇異特性。從幾何本質(zhì)上對(duì)該機(jī)構(gòu)可能存在的正運(yùn)動(dòng)學(xué)奇異位形進(jìn)行研究,得到了各線簇秩對(duì)應(yīng)的奇異位形,并推導(dǎo)出了機(jī)構(gòu)處于各奇異位形時(shí)的約束方程。通過數(shù)值仿真,得到了各奇異位形對(duì)應(yīng)的奇異軌跡以及相應(yīng)余弦參數(shù)的變化規(guī)律。
　　為確保4 UP S+UP U并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)能力,須分析其運(yùn)動(dòng)空間特性。文中以運(yùn)動(dòng)

4、空間的體積大小作為評(píng)價(jià)指標(biāo),得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)初步優(yōu)化參數(shù)。為了獲得整個(gè)工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)性能,并避免由于量綱不統(tǒng)一引起的分析不便,分別建立了位置工作空間和姿態(tài)工作空間的運(yùn)動(dòng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了整個(gè)位置工作空間和姿態(tài)工作空間內(nèi)的條件數(shù)隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化情況,得到了對(duì)應(yīng)于不同條件數(shù)限制下的工作空間范圍。
　　根據(jù)機(jī)構(gòu)剛體模型,建立了各個(gè)支鏈速度和加速度的數(shù)學(xué)模型,得到了機(jī)構(gòu)中各桿件的Jacobian矩陣。結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果