一類三自由度并聯(lián)機構(gòu)的特性研究與優(yōu)化設計.pdf

1、隨著天文學的發(fā)展，望遠鏡的分辨率要求越來越高，對副鏡的支撐提出了更高的要求，傳統(tǒng)的四翼梁式支撐結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)自動調(diào)焦，但不能主動校正副鏡的姿態(tài)，因此，設計具有兩個轉(zhuǎn)動一個移動自由度的副鏡支撐機構(gòu)，實時、穩(wěn)定、高精度地調(diào)整副鏡相對主鏡的焦距和姿態(tài)，具有重要的現(xiàn)實意義。
　　 本文以望遠鏡副鏡三自由度并聯(lián)支撐為背景，圍繞三自由度并聯(lián)機構(gòu)的設計主線，開展了構(gòu)型設計與選型、運動學設計、精度分析與設計、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設計、仿真平臺設計等五方面

2、的研究。
　　 并聯(lián)機構(gòu)的設計首先需要進行構(gòu)型設計和選型。根據(jù)期望兩個轉(zhuǎn)動和一個移動自由度的需求，采用約束螺旋理論設計了三支鏈、采用添加約束法設計了四支鏈對稱的三自由度并聯(lián)機構(gòu)。在此基礎上，綜合考慮并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)對稱、結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、低慣性等定性指標，以及伴隨運動小、全局條件數(shù)大、運動副剛度大精度好等定量指標，最終選取3-RCU構(gòu)型作為望遠鏡副鏡并聯(lián)支撐。
　　 本文提出分類建模方法，建立兩轉(zhuǎn)一移三自由度并聯(lián)機構(gòu)的統(tǒng)

3、一運動學模型、速度傳遞模型和誤差傳遞模型。根據(jù)并兩轉(zhuǎn)一移三自由度并聯(lián)機構(gòu)的驅(qū)動和約束特性，分類建立了運動學模型;在此基礎上，建立了運動支鏈的D-H矩陣模型，全面反映各運動支鏈的運動副和桿件的運動特性;建立了并聯(lián)機構(gòu)的速度傳遞模型，反映驅(qū)動速度與動平臺的有效位姿變化速度之間的映射關(guān)系，并得到機構(gòu)的速度Jacobian矩陣和全局條件數(shù)。同時，對并聯(lián)機構(gòu)的姿態(tài)描述進行了深入討論，引入zxz歐拉角法研究機構(gòu)的伴隨運動和姿態(tài)空間，引入YXY歐拉角

4、法研究機構(gòu)速度Jacobian矩陣、全局條件數(shù)和誤差傳遞模型。
　　 考慮并聯(lián)機構(gòu)具有兩個轉(zhuǎn)動一個移動自由度，定義了兩個歐拉角和一個移動的微小攝動為機構(gòu)的有效位姿誤差，基于誤差攝動原理和機構(gòu)的速度傳遞模型，建立了運動副安裝誤差（包括結(jié)構(gòu)偏差）、運動副間隙誤差和支鏈驅(qū)動誤差（包括傳感誤差）等主要誤差源到動平臺有效位姿誤差的全誤差模型;然后，推導了3-RCU并聯(lián)機構(gòu)的最大誤差模型，分析了各主要誤差源對動平臺有效位姿誤差的誤差靈敏度;

5、最后，分別研究了基于靈敏度和基于成本的3-RCU并聯(lián)機構(gòu)精度設計，并采用遺傳算法實現(xiàn)了3-RCU并聯(lián)機構(gòu)的精度設計。
　　 根據(jù)兩轉(zhuǎn)一移三自由度并聯(lián)機構(gòu)的運動特點，推廣了機器人包含工作空間和全姿態(tài)工作空間的概念，定義了兩轉(zhuǎn)一移并聯(lián)機構(gòu)的可達工作空間和靈活工作空間，以及工作空間體積;然后討論了并聯(lián)機構(gòu)的約束條件，并基于區(qū)間分析方法計算了3-RCU并聯(lián)機構(gòu)的工作空間，分析了工作空間的形狀特點。
　　 確定以動平臺半徑、連桿中

6、心位置長度和驅(qū)動行程與靜平臺半徑的比值為設計變量，分析了全局條件數(shù)、最大位姿誤差和工作空間體積等3個性能指標隨3個設計變量的變化規(guī)律，優(yōu)化設計得到3-RCU并聯(lián)機構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　 最后，利用Matlab GUI工具箱設計了兩轉(zhuǎn)一移三自由度并聯(lián)機構(gòu)仿真平臺，重點研究了3-RCU并聯(lián)機構(gòu)的可視化運動仿真模塊?；赟olidWorks軟件建立了機構(gòu)的三維實體模型，基于SimMechanics工具箱設計了機構(gòu)的運動學和動力學控制