3-SPS張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合與運(yùn)動(dòng)性能分析及能量采集研究.pdf

1、并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有剛度大、累積誤差小、控制精度高、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已在運(yùn)動(dòng)模擬、空間對(duì)接、加工制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
　　機(jī)構(gòu)學(xué)的發(fā)展得益于新機(jī)構(gòu)的誕生，近年來(lái)，學(xué)者們提出了一種新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)——張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)。和傳統(tǒng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)不同，張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)中含有彈簧構(gòu)件，彈簧的使用使這類機(jī)構(gòu)具有了欠驅(qū)動(dòng)的能力。另外，彈簧消除了運(yùn)動(dòng)副的間隙，提升了張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度。本文系統(tǒng)地研究了3-SPS(Spherical joint-Pr

2、ismatic joint-Spherical joint)張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型演變、位置正反解、奇異性、工作空間及其在能量采集方面的應(yīng)用，主要成果如下：
　　1)分析了3-SPS張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)的初始構(gòu)型，此構(gòu)型由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、固定平臺(tái)、三個(gè)SPS驅(qū)動(dòng)支鏈和三根彈簧組成。該并聯(lián)機(jī)構(gòu)有三輸入，而輸出卻為六個(gè)，因此在通常情況下其輸出是不確定的?？紤]到彈簧的約束，此并聯(lián)機(jī)構(gòu)處于平衡狀態(tài)時(shí)，輸出是可控的。然而當(dāng)它不處于平衡狀態(tài)時(shí)，必須通過(guò)

3、添加從動(dòng)支鏈的辦法使其輸出可控。以此并聯(lián)機(jī)構(gòu)為初始構(gòu)型，基于螺旋理論，通過(guò)添加不同從動(dòng)支鏈演變出了20種具有不同運(yùn)動(dòng)特征的三自由度張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)。明確了本文的研究對(duì)象：一類是包含從動(dòng)支鏈的張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)(非欠驅(qū)動(dòng)張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu))；另外一類是不包含從動(dòng)支鏈的張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)(欠驅(qū)動(dòng)張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu))。針對(duì)這兩類張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)，提出了它們的結(jié)構(gòu)描述方法，此方法考慮了對(duì)彈簧的描述及運(yùn)動(dòng)副軸線在全局坐標(biāo)系下的方位。
　　2)對(duì)兩類

4、張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置正解和反解進(jìn)行了研究。針對(duì)非欠驅(qū)動(dòng)張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置正解問(wèn)題，提出了一種變步長(zhǎng)搜索算法，該算法在變量的求解區(qū)域內(nèi)以一定的步長(zhǎng)進(jìn)行逐點(diǎn)搜索。當(dāng)搜索不到變量的解時(shí)，此算法將減小步長(zhǎng)進(jìn)行再次搜索，依此循環(huán)下去，直到找到變量的解為止。變步長(zhǎng)搜索算法模型簡(jiǎn)單，對(duì)初值不敏感，可推廣至任何并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置正解計(jì)算問(wèn)題?；谀芰糠?，推導(dǎo)了欠驅(qū)動(dòng)張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置正解和反解的一般方程，并通過(guò)變步長(zhǎng)搜索算法進(jìn)行了求解。研究結(jié)果表

5、明：非欠驅(qū)動(dòng)張拉整體的位置分析(位置正解和反解)僅與其幾何形狀有關(guān)，而欠驅(qū)動(dòng)張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置分析不僅取決于其幾何形狀還與彈簧的內(nèi)力有關(guān)。變步長(zhǎng)搜索算法可有效求解兩類張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置分析問(wèn)題。
　　3)基于正向和反向速度雅可比矩陣，對(duì)非欠驅(qū)動(dòng)張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)的奇異性進(jìn)行了研究。得到了非欠驅(qū)動(dòng)張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)發(fā)生第一類奇異、第二類奇異和第三類奇異的條件，繪制了相應(yīng)的奇異位形。對(duì)這類機(jī)構(gòu)的三類奇異性條件進(jìn)行了分析，并提出了相

6、應(yīng)的奇異性規(guī)避策略。
　　4)對(duì)兩類張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間進(jìn)行了研究。對(duì)于非欠驅(qū)動(dòng)張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)，分析了其工作空間的影響因素：①驅(qū)動(dòng)支鏈桿長(zhǎng)約束；②運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)角限制；③連桿的干涉。建立了非欠驅(qū)動(dòng)張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間區(qū)域和邊界求解的約束方程，并通過(guò)數(shù)值算法計(jì)算了其工作空間體積。分析了工作空間體積對(duì)機(jī)構(gòu)參數(shù)(位姿/姿態(tài)參數(shù))和運(yùn)動(dòng)副最大允許轉(zhuǎn)角的敏感度。通過(guò)考慮能量約束，提出了欠驅(qū)動(dòng)張拉整體并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間確定方法，并采用數(shù)

7、值法計(jì)算了其工作空間的體積。
　　5)提出了一種新型3-SPS張拉整體能量采集裝置。建立了線性波浪作用下，該能量采集裝置的動(dòng)力學(xué)模型。此動(dòng)力學(xué)模型考慮了剛體動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)之間的耦合。采用數(shù)值法對(duì)此動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行了仿真，分析了3-SPS張拉整體能量采集裝置的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在線性波浪作用下沿X軸、Z軸的平動(dòng)規(guī)律及繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律。將新型能量采集裝置的發(fā)電效率和傳統(tǒng)浮子式裝置的發(fā)電效率進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明3-SPS張拉整體能量采集裝置的