4UPS+UPU并聯(lián)機構(gòu)奇異特性及動力學建模研究.pdf

1、并聯(lián)機構(gòu)作為一種機器人操作機構(gòu),其作為輸出執(zhí)行器的動平臺具有“精度高、剛度高、速度高”的特點。由于6自由度并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜、難以控制,且部分關(guān)鍵技術(shù)未得到解決,因此并沒有被廣泛應用于工程實際中。與傳統(tǒng)6自由度并聯(lián)機構(gòu)相比,少自由度并聯(lián)機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單,設計、制造和控制的成本都相對較低的特點,目前已經(jīng)成為機器人研究的一個新熱點。鑒于此,本文針對一種4UPS+UPU并聯(lián)機構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)3個轉(zhuǎn)動自由度和2個移動自由度。以該并聯(lián)機構(gòu)為研究對象,對

2、其運動學、奇異位形、工作空間及動力學進行了分析。主要研究內(nèi)容可概括如下:
　　結(jié)合約束力/矩的性質(zhì)分析了4UPS+UPU并聯(lián)機構(gòu)的運動自由度?；跉W拉變換法,對該并聯(lián)機構(gòu)進行了運動學分析,得到了其位姿、速度和加速度的解析表達式以及Jacobian矩陣和Hessian矩陣。通過數(shù)值仿真,得到了給定動平臺運動規(guī)律下的驅(qū)動支鏈長度、速度和加速度的變化規(guī)律。
　　建立了4UPS+UPU并聯(lián)機構(gòu)支鏈與動平臺的靜力學平衡方程,根據(jù)機構(gòu)靜

3、態(tài)力學轉(zhuǎn)換矩陣的plǜcker坐標表達式得到6條空間分析直線,基于Grassmann線幾何理論,結(jié)合6條直線之間的線性相關(guān)性研究了該機構(gòu)的奇異特性。從幾何本質(zhì)上對該機構(gòu)可能存在的正運動學奇異位形進行研究,得到了各線簇秩對應的奇異位形,并推導出了機構(gòu)處于各奇異位形時的約束方程。通過數(shù)值仿真,得到了各奇異位形對應的奇異軌跡以及相應余弦參數(shù)的變化規(guī)律。
　　為確保4 UP S+UP U并聯(lián)機構(gòu)的運動能力,須分析其運動空間特性。文中以運動

4、空間的體積大小作為評價指標,得到相應的結(jié)構(gòu)初步優(yōu)化參數(shù)。為了獲得整個工作空間內(nèi)的運動性能,并避免由于量綱不統(tǒng)一引起的分析不便,分別建立了位置工作空間和姿態(tài)工作空間的運動性能評價指標。在此基礎(chǔ)上,進一步研究了整個位置工作空間和姿態(tài)工作空間內(nèi)的條件數(shù)隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化情況,得到了對應于不同條件數(shù)限制下的工作空間范圍。
　　根據(jù)機構(gòu)剛體模型,建立了各個支鏈速度和加速度的數(shù)學模型,得到了機構(gòu)中各桿件的Jacobian矩陣。結(jié)合運動學分析結(jié)果