一類平面自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的性能分析與優(yōu)選研究.pdf

1、少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，特別是2、3自由度的新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)是并聯(lián)以及混聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)創(chuàng)新和性能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)和重點(diǎn)，有著重要的應(yīng)用前景和開(kāi)發(fā)價(jià)值。最近十年以來(lái)，提出了大量的2、3自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，然而實(shí)際在用的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的數(shù)目卻非常少，阻礙其廣泛應(yīng)用的原因主要有兩方面：(1)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的比較和優(yōu)選困難。機(jī)構(gòu)類型的多樣性，使得適合于特定操作任務(wù)的最佳的機(jī)構(gòu)方案難以選擇；(2)機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)困難。機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)依賴于其拓?fù)漕愋汀Ⅱ?qū)動(dòng)布局和設(shè)計(jì)參數(shù)，難以進(jìn)

2、行全局優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文首先構(gòu)建了一類2自由度平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)(PPKM)，然后提出一個(gè)系統(tǒng)的方法來(lái)研究它們的優(yōu)選問(wèn)題，目的是為規(guī)定的操作任務(wù)選擇一個(gè)最合適的機(jī)構(gòu)方案。主要工作如下：
　　首先，完整地構(gòu)建一類含PRR分支的PPKM，并給出每個(gè)機(jī)構(gòu)唯一的和明確的描述。主要包括三個(gè)方面的工作：(1)分析了六種不同分支的五桿機(jī)構(gòu)，從中選擇分支為PRR、以固定在靜平臺(tái)上的P關(guān)節(jié)作為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的PPKM作為研究對(duì)象；(2)以兩自由矢量的獨(dú)立方向數(shù)為依

3、據(jù)，分析了該類PPKM的三種驅(qū)動(dòng)布局，并采用與坐標(biāo)系無(wú)關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)描述每種布局；(3)提出統(tǒng)一的方法描述該類PPKM，每個(gè)機(jī)構(gòu)都可以根據(jù)其驅(qū)動(dòng)布局類型和結(jié)構(gòu)參數(shù)給以唯一描述，在此基礎(chǔ)上建立了機(jī)構(gòu)統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、雅可比矩陣以及各向同性條件，并編制了對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)分析軟件，以避免單個(gè)機(jī)構(gòu)的分析和大量的符號(hào)運(yùn)算。
　　其次，對(duì)三種典型驅(qū)動(dòng)副布局的PPKM的性能進(jìn)行了研究，主要包括三方面內(nèi)容：(1)根據(jù)機(jī)構(gòu)幾何約束，采用歸一化原理建立了三種

4、機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間模型；(2)系統(tǒng)地分析了三種機(jī)構(gòu)的理論工作空間、奇異軌跡以及靈活工作空間與機(jī)構(gòu)桿件尺寸參數(shù)以及與機(jī)構(gòu)控制模式之間的關(guān)系，討論了其在機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)空間內(nèi)的分布規(guī)律，為優(yōu)選控制模式提供依據(jù)；(3)分析了三種機(jī)構(gòu)的全局條件數(shù)、全局速度指標(biāo)、全局剛度指標(biāo)以及空間利用率指標(biāo)與機(jī)構(gòu)桿件尺寸參數(shù)之間的關(guān)系，并繪制了相應(yīng)的性能圖譜。提出了一種新的空間利用率指標(biāo)，以機(jī)構(gòu)最大規(guī)則形狀靈活工作空間與整個(gè)機(jī)構(gòu)占地面積之比作為空間利用率，更具實(shí)用價(jià)值

5、。同時(shí)，在機(jī)構(gòu)工作空間求解過(guò)程中，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的邊界搜索法，提出了一組高效的、只在邊界附近搜索驗(yàn)證的算法來(lái)確定PPKM可達(dá)的、靈活的工作空間及其邊界，以及包含在它們內(nèi)部的最大規(guī)則形狀的靈活工作空間。
　　再次，提出一種優(yōu)選方法，從三種PPKM中為規(guī)定的操作任務(wù)選擇一種最合適的機(jī)構(gòu)方案。優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)考慮了每個(gè)PPKM的全局條件指標(biāo)、全局速度指標(biāo)、全局剛度指標(biāo)和空間利用率指標(biāo)。優(yōu)選工作分兩個(gè)層次進(jìn)行：(1)對(duì)三種布局PPKM進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確

6、定了三個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)優(yōu)化的PPKM，使每個(gè)PPKM都能產(chǎn)生一個(gè)規(guī)則靈活工作空間盡可能接近所給定的操作任務(wù)；(2)考慮不同的優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，確定一種最合適的機(jī)構(gòu)方案。
　　最后，利用優(yōu)選的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了5自由度混聯(lián)高速噴涂機(jī)器人的設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)操作任務(wù)進(jìn)行了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的尺寸綜合；然后，分析了并聯(lián)機(jī)構(gòu)部分的局部性能，利用Langrane方程建立了機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，在Solidworks軟件中建立虛擬樣機(jī)并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和受力仿真；研制單噴槍、三噴