论文部分内容阅读
并联机构作为一种机器人操作机构，其作为输出执行器的动平台具有“精度高、刚度高、速度高”的特点。由于6自由度并联机构结构复杂、难以控制，且部分关键技术未得到解决，因此并没有被广泛应用于工程实际中。与传统6自由度并联机构相比，少自由度并联机构具有结构简单，设计、制造和控制的成本都相对较低的特点，目前已经成为机器人研究的一个新热点。鉴于此，本文针对一种4UPS+UPU并联机构，能够实现3个转动自由度和2个移动自由度。以该并联机构为研究对象，对其运动学、奇异位形、工作空间及动力学进行了分析。主要研究内容可概括如下：结合约束力/矩的性质分析了4UPS+UPU并联机构的运动自由度。基于欧拉变换法，对该并联机构进行了运动学分析，得到了其位姿、速度和加速度的解析表达式以及Jacobian矩阵和Hessian矩阵。通过数值仿真，得到了给定动平台运动规律下的驱动支链长度、速度和加速度的变化规律。建立了4UPS+UPU并联机构支链与动平台的静力学平衡方程，根据机构静态力学转换矩阵的plǜcker坐标表达式得到6条空间分析直线，基于Grassmann线几何理论，结合6条直线之间的线性相关性研究了该机构的奇异特性。从几何本质上对该机构可能存在的正运动学奇异位形进行研究，得到了各线簇秩对应的奇异位形，并推导出了机构处于各奇异位形时的约束方程。通过数值仿真，得到了各奇异位形对应的奇异轨迹以及相应余弦参数的变化规律。为确保4UPS+UPU并联机构的运动能力，须分析其运动空间特性。文中以运动空间的体积大小作为评价指标，得到相应的结构初步优化参数。为了获得整个工作空间内的运动性能，并避免由于量纲不统一引起的分析不便，分别建立了位置工作空间和姿态工作空间的运动性能评价指标。在此基础上，进一步研究了整个位置工作空间和姿态工作空间内的条件数随结构参数的变化情况，得到了对应于不同条件数限制下的工作空间范围。根据机构刚体模型，建立了各个支链速度和加速度的数学模型，得到了机构中各杆件的Jacobian矩阵。结合运动学分析结果，得到了该并联机构构件作用力/力矩，构成了机构动力学分析的基础。基于虚功原理，对机构的动力学问题进行了分析，建立了该机构的整体逆动力学模型。在此基础上，建立了不同物理意义下的动力学性能指标，并将其结合，得到了包含系统各构件速度、加速度以及重力在内的动力学综合传递性能指标和衡量机构平均性能的全域性能度量指标。通过数值仿真，得到了该并联机构驱动力的变化曲线图及各动力学性能指标随动平台角度及机构几何参数的变化规律。