Kinematics，rigid dynamics，elastodynamics and performance evaluation of the 8PSS redundant parallel manipulator and its non-redu.pdf

1、本文密切結(jié)合開發(fā)防災(zāi)抗震領(lǐng)域并聯(lián)結(jié)構(gòu)地震模擬裝備的要求，在中國博士后基金、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目與國家973重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃的聯(lián)合資助下，系統(tǒng)深入的研究8-PSS冗余并聯(lián)機(jī)器人以及與之對應(yīng)的6-PSS非冗余并聯(lián)機(jī)器人位置正解分析、剛體動力學(xué)分析、彈性動力學(xué)分析、性能評估與比較等關(guān)鍵問題。論文取得了如下創(chuàng)造性成果： (一)位置正解分析 提出一種具有明顯物理意義的逼近算法用于8-PSS冗余并聯(lián)機(jī)器人與6-PSS并聯(lián)機(jī)器

2、人位置正解，為避免逼近過程中的二次方根運(yùn)算，通過假想伸縮桿件固結(jié)滑鞍，將以上兩并聯(lián)機(jī)器人位置正解轉(zhuǎn)化為求解定長桿件桿長的問題，并把以上各逼近算法分別轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的桿長逼近算法，桿長逼近算法具有收斂域更大的特點(diǎn)。 本文提出的各算法具有一定的通用性，可作為某一類并聯(lián)機(jī)器人的位置正解分析算法，數(shù)值仿真進(jìn)一步驗(yàn)證以上各逼近算法是正確有效的，且具有一般數(shù)值迭代算法的特點(diǎn)。 (二)剛體逆動力學(xué)分析 采用虛功原理與連桿雅可比矩陣

3、概念建立包含動平臺外作用力(矩)的8-PSS冗余并聯(lián)機(jī)器人與6-PSS并聯(lián)機(jī)器人剛體動力學(xué)模型。鑒于8-PSS冗余并聯(lián)機(jī)器人剛體逆動力學(xué)分析需要求解六個(gè)線性相容方程來確定八個(gè)驅(qū)動力矩，借助Moore-Penrose廣義逆矩陣求得極小范數(shù)最小二乘解。 數(shù)值仿真中分別計(jì)算加速度項(xiàng)、速度項(xiàng)與重力項(xiàng)對驅(qū)動力矩的貢獻(xiàn)，并分別求出機(jī)器人動平臺、定長桿件、滑鞍、絲杠、電機(jī)轉(zhuǎn)子與聯(lián)軸器等各部分慣量對驅(qū)動力矩的貢獻(xiàn)，結(jié)果表明：電機(jī)轉(zhuǎn)子與聯(lián)軸器慣量

4、引起的驅(qū)動力矩占據(jù)較大的比例，應(yīng)該包含在動力學(xué)模型中。 (三)動力學(xué)性能評估與比較 針對現(xiàn)有性能指標(biāo)對機(jī)器人性能評估存在的局限性，本文將一系列具有明顯物理意義的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)新指標(biāo)應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)器人的性能分析，通過對剛體逆動力學(xué)徹底解耦，提出一種融合加速度項(xiàng)、速度項(xiàng)與重力項(xiàng)的驅(qū)動力矩指標(biāo)，將之應(yīng)用于冗余并聯(lián)機(jī)器人的動力學(xué)性能評估。該指標(biāo)具有一定的通用性可用于一般并聯(lián)機(jī)器人的動力學(xué)性能分析，它由一系列解耦指標(biāo)組成，因此使得通

5、過動態(tài)設(shè)計(jì)控制并聯(lián)機(jī)器人在各個(gè)方向上的性能有望成為現(xiàn)實(shí)。 基于以上指標(biāo)對8-PSS冗余并聯(lián)機(jī)器人與6-PSS并聯(lián)機(jī)器人作性能比較，結(jié)果證實(shí)：(1)8-PSS冗余并聯(lián)機(jī)器人與6-PSS并聯(lián)機(jī)器人具有相同的運(yùn)動學(xué)特性；(2)對于特定的運(yùn)動軌跡，二者關(guān)節(jié)空間中最大與最小的速度、加速度與驅(qū)動力在不同的運(yùn)動支鏈；(3)8-PSS冗余并聯(lián)機(jī)器人動力學(xué)性能優(yōu)于6-PSS非冗余并聯(lián)機(jī)器人。 (四)關(guān)節(jié)容量評估 提出一系列具有明顯

6、物理意義的關(guān)節(jié)速度容量、力矩容量與功率容量指標(biāo)，所提出的動力學(xué)容量指標(biāo)由一系列解耦指標(biāo)組成并融合動力學(xué)方程中的加速度項(xiàng)、速度項(xiàng)與重力項(xiàng)，它使得通過動態(tài)設(shè)計(jì)控制并聯(lián)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)上的性能有望成為現(xiàn)實(shí)。 將機(jī)器人各容量指標(biāo)用于8-PSS冗余并聯(lián)機(jī)器人與6-PSS非冗余并聯(lián)機(jī)器人的關(guān)節(jié)容量性能評估，結(jié)果表明：由于8-PSS與6-PSS并聯(lián)機(jī)器人不具有軸對稱特性，即使機(jī)器人末端處于對稱的工作空間內(nèi)，兩機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)容量并不完全相等。

7、 (五)彈性動力學(xué)分析 基于KED基本假設(shè)，采用有限元法與子結(jié)構(gòu)綜合思想建立8-PSS冗余并聯(lián)機(jī)器人與6-PSS并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動彈性動力學(xué)模型，研究二者的動態(tài)特性，主要包括系統(tǒng)固有頻率、靈敏度分析、能量分布以及機(jī)器人末端位置響應(yīng)。 對8-PSS冗余并聯(lián)機(jī)器人與6-PSS并聯(lián)機(jī)器人作動態(tài)特性對比，計(jì)算表明：(1)二者的二階固有頻率均遠(yuǎn)高于一階固有頻率；(2)兩機(jī)器人桿件半徑變化對系統(tǒng)一階固有頻率的影響遠(yuǎn)大于對二階固有頻率