一種五自由度混聯(lián)機(jī)器人靜柔度建模與設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、本文密切結(jié)合國(guó)家發(fā)展航空航天和高端裝備制造業(yè)的重大需求，在國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目及高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助下，系統(tǒng)研究了5自由度混聯(lián)模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合、運(yùn)動(dòng)學(xué)性能評(píng)價(jià)、靜柔度建模、輕量化設(shè)計(jì)、剛體動(dòng)力學(xué)建模與伺服電機(jī)參數(shù)預(yù)估等問(wèn)題。全文取得如下創(chuàng)造性成果：
　　在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合方面，以UPR-SPR和UP運(yùn)動(dòng)鏈為虛擬鏈，揭示了組成UPR-SPR型和UP型等效運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)中4自由度和5自由度分支運(yùn)動(dòng)鏈各運(yùn)動(dòng)副軸線需滿足的幾

2、何條件，據(jù)此綜合出多種含冗余驅(qū)動(dòng)或過(guò)約束的1T2R三自由度位置型并聯(lián)機(jī)構(gòu)新構(gòu)型。
　　在由2自由度轉(zhuǎn)頭及面對(duì)稱3-SPR并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成的5自由度混聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方面，建立了一般面對(duì)稱3-SPR并聯(lián)機(jī)構(gòu)位置逆解模型，揭示出其存在解析解時(shí)鏈中回轉(zhuǎn)副軸線的配置條件。在此基礎(chǔ)上，建立了一種具有解耦格式的雅可比矩陣，并構(gòu)造出一組取值介于[0,1]之間、無(wú)量綱、與坐標(biāo)系無(wú)關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能指標(biāo)。通過(guò)揭示機(jī)構(gòu)無(wú)量綱尺度參數(shù)對(duì)這組指標(biāo)的影響規(guī)律，構(gòu)

3、造出滿足給定運(yùn)動(dòng)學(xué)性能、支鏈極限桿長(zhǎng)比和球副轉(zhuǎn)角等幾何與運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的尺度參數(shù)可行域。
　　在上述混聯(lián)機(jī)器人靜柔度建模方面，提出一種考慮構(gòu)件重力場(chǎng)、以及構(gòu)件與鉸鏈靜柔度的末端變形半解析建模方法。該方法的建模手續(xù)可概括為：（1）建立關(guān)節(jié)力與末端外載荷及運(yùn)動(dòng)部件重力間的映射關(guān)系；（2）構(gòu)造計(jì)及運(yùn)動(dòng)部件自身分布重力的關(guān)節(jié)變形精確模型；（3）利用半解析法構(gòu)造支鏈在關(guān)節(jié)空間中的靜柔度矩陣。利用上述模型可快速計(jì)算出外載荷及運(yùn)動(dòng)部件重力引起的末端

4、變形在工作空間中的分布規(guī)律。
　　在上述混聯(lián)機(jī)器人輕量化設(shè)計(jì)方面，提出一種具有分層遞階格式的設(shè)計(jì)方法。該方法以2自由度轉(zhuǎn)頭與3-SPR并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度相匹配、支鏈驅(qū)動(dòng)與約束剛度相匹配、鏈中鉸鏈與支鏈體剛度相匹配為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以末端靜剛度、制造工藝、構(gòu)件及運(yùn)動(dòng)副尺度關(guān)聯(lián)關(guān)系等為約束條件，以整機(jī)運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量最輕為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)。相應(yīng)設(shè)計(jì)流程的要點(diǎn)為：以整機(jī)低階固有頻率最高作為各子系統(tǒng)剛度系數(shù)匹配的依據(jù)，首先將末端靜剛度分

5、配給2自由度轉(zhuǎn)頭及鏈中各子裝配體，然后以分配給后者的剛度為約束，實(shí)現(xiàn)它們的輕量化設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)。所提出的輕量化設(shè)計(jì)方法可在滿足靜剛度約束條件下，使得整機(jī)質(zhì)量最輕且具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性。
　　在上述混聯(lián)機(jī)器人剛體動(dòng)力學(xué)建模與伺服電機(jī)參數(shù)預(yù)估方面，從構(gòu)造各部件的力旋量和速度旋量入手，提出一種建立3-SPR并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛體動(dòng)力學(xué)模型的方法。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算在給定加速度下的峰值力矩和折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量全域均值，提出一種