3-RPR球面并联机构的运动学与刚度研究

发布时间：2017-10-25 19:18

  本文关键词：3-RPR球面并联机构的运动学与刚度研究

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【摘要】：球面并联机构是动平台参考点的运动范围在固定球面上的一类特殊的空间并联机构,它不但具有并联机构的刚度大、精度高等性能优点,还具有工作范围大、不易干涉、运动学计算简单等性能优点。基于球面并联机构比较特殊的运动特点和性能优势,目前主要应用于微创外科手术机器人、康复机器人、数控机床和天文设备的调节、定位装置等。本文主要研究3-RPR球面并联机构的运动学和刚度性能。首先基于螺旋理论对该机构做了构型分析。通过分析并联机构的分支的运动螺旋系和机构动平台的运动螺旋系之间的关系分析了对称三支链球面并联机构的构型规律。然后利用运动副的演化导出3-RPR球面并联机构构型特点。用螺旋理论求出球面并联机构的阶为3,对给出的模型应用Kutzbach-Grvbler公式验证自由度为3。其次,对3-RPR球面并联机构的运动学进行了研究。利用等效轴角原理和坐标转换矩阵建立约束方程,求得机构的位置正逆解,并分析了速度、加速度,得出了机构的雅克比矩阵。在逆解的基础上,使用数值法通过MATLAB编程求得机构的工作空间,并提出一种新的对给定的任意球面轨迹用机构实现的非参数化方法。然后,分析了3-RPR球面并联机构的静力学和刚度,在考虑动平台形变的情况下广义利用应变能和卡式定理,分别推导出机构中动平台、连杆、电机的柔度矩阵,并集中到一起求出了3-RPR球面并联机构的刚度矩阵,提出了刚度评价指数KSI。最后,通过有限元的仿真分析得出机构在极限位置所受应力、产生应变的最大值。最后,利用SolidWorks和ADAMS对3-RPR球面并联机构进行了联合仿真,在SolidWorks中建立机构的装配模型,然后在ADAMS中添加约束,建立虚拟样机,通过给定的轨迹逆解其驱动,对其进行正、逆运动学仿真。然后做了机构动平台在受力和不受力的情况下的动力学仿真,得到驱动功率和力矩的变化规律。
【关键词】：3-RPR球面并联机构 构型 运动学 刚度 仿真
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH112
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-16
• 1.2.1 球面并联机构构构型研究现状10-12
• 1.2.2 运动学、动力学分析研究现状12-14
• 1.2.3 刚度分析研究现状14-15
• 1.2.4 球面机构的应用研究现状15-16
• 1.3 球面并联机构研究存在的问题16-17
• 1.4 本文主要研究内容及章节安排17
• 1.5 本章小结17-19
• 2 球面并联机构的构型分析19-30
• 2.1 螺旋理论基础19-22
• 2.2 3 支链对称球面并联机构的构型分析22-25
• 2.3 3-RPR球面机构构型25-29
• 2.3.1 机构模型的建立25-26
• 2.3.2 机构的自由度的分析26-29
• 2.4 本章小结29-30
• 3 3-RPR球面并联机构的运动学分析30-45
• 3.1 机构的参数化描述及坐标系的建立30-32
• 3.2 3-RPR球面机构的位姿分析32-37
• 3.2.1 机构的位姿逆解32-34
• 3.2.2 机构位姿正解34-37
• 3.3 雅克比矩阵37-38
• 3.4 速度、加速度分析38-39
• 3.5 工作空间分析39-41
• 3.6 机构的轨迹设计41-44
• 3.7 本章小结44-45
• 4 3-RPR球面并联机构的与刚度分析45-64
• 4.1 静力学分析45-47
• 4.2 刚度矩阵47-59
• 4.2.1 动平台柔度矩阵求解48-53
• 4.2.2 连杆柔度矩阵求解53-57
• 4.2.3 电机的柔度矩阵求解57-59
• 4.3 刚度的数值分析59-60
• 4.4 刚度的有限元分析60-63
• 4.5 本章小结63-64
• 5 3-RPR球面并联机构的仿真研究64-74
• 5.1 仿真软件的选择64-65
• 5.2 虚拟样机的创建65-66
• 5.3 机构的运动学仿真66-71
• 5.3.1 运动学逆解仿真66-69
• 5.3.2 运动学正解仿真69-71
• 5.4 动力学仿真71-73
• 5.5 本章小结73-74
• 6 总结与展望74-76
• 6.1 总结74-75
• 6.2 展望75-76
• 参考文献76-82
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果82-83
• 致谢83-84

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本文编号：1095150