基于全雅克比矩阵的主动过约束并联机构理论分析与应用研究

发布时间：2018-03-20 07:51

本文选题：主动过约束　切入点：并联机构　出处：《燕山大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：对于主动过约束(冗余驱动)并联机构的理论研究与实验都是近年来的国内外机器人领域中前沿的研究方向。与一般的并联机构相比,主动过约束并联机构的本质特点在于其由于主动过约束的存在,使得机构在自由度不变化的同时系统能够主动的控制驱动力/力矩的大小,因此主动过约束并联机构的运动特性以及力学特性也就随着发生变化。本文的研究工作旨在通过分析不同的主动过约束并联机构的性能(运动学/力学性能)特点说明主动过约束力/力矩对并联机构整体性能的影响。首先对线矢力的各向同性条件进行了深入研究,并且通过分析说明了当各线矢力均匀分布在锥顶角为109.472°的锥面上时恒满足各向同性。此外,提出了一种通过考虑驱动副布置的方法,并且结合各向同性线矢力的方法,提出了一种主动过约束三自由度移动并联机构的型综合方法。最后通过对一种典型的4-(?)RRR并联机构进行分析,说明了该机构在其运动过程中能够始终满足其承载能力各向同性,并且从一定程度上验证了其构型综合理论的正确性。基于螺旋理论互易积原理建立了一般主动过约束并联机构的全雅克比矩阵,其中包括机构的驱动雅克比矩阵,约束雅克比矩阵以及主动过约束雅克比矩阵,并且明确了全雅克比矩阵各行的物理意义。以5-U(?)S/(?)RPU主动过约束并联机构为例,建立了该机构的工作空间与操作空间的速度映射关系;建立了4-PRRR主动过约束并联机构的运动模型,得到了其工作空间与操作空间的速度与加速度之间的映射关系,并且分析了其可达工作空间。利用全雅克比矩阵并结合伪逆法推导了弹性变形条件下的主动过约束并联机构全雅克比矩阵的加权广义逆,从而得到了一般主动过约束并联机构的内力表达式。通过分解幂等矩阵,并结合线性代数的线性变换求解出该机构中独立的刚度可调系数,并作为控制目标实现通过对刚度幅值的控制实现协调各个分支内力的大小。计算出7-S(?)S主动过约束并联机构与5-U(?)S/(?)RPU主动过约束并联机构各个分支的驱动力与内力幅值在对应运动空间内随主动过约束刚度变化的关系,并且得出结论:可以通过调整主动过约束刚度的大小协调各个分支的内力。基于雅克比矩阵以及虚功原理,得到了一般主动过约束并联机构的刚度模型,该模型可以通过线性代数的方法分解成其不含有主动过约束部分的刚度矩阵以及其对应主动过约束的刚度矩阵。以5-U(?)S/(?)RPU主动过约束并联机床为例,通过考虑其各个驱动分支传动部件的变形构造了各个单分支沿轴向的刚度模型,并建立了该机床的整体刚度模型,并且通过比较其主动过约束与非主动过约束状态下的刚度模型,说明了主动过约束刚度对机床整体刚度性能的影响。以5-U(?)S/(?)RPU主动过约束并联机床作为算例,通过结合有限单元法的数值分析方法以及子结构的思想推导了该机床的动力学模型。首先将机床划分为不同的子结构,并将其各个子结构等效为空间梁单元的组合,建立空间梁单元的动力学模型;根据各个分支的结构特征,将各个梁单元组装到一起,最后得到了该机床的整体弹性动力学模型,并且分析了其动态响应特性。对5-U(?)S/(?)RPU主动过约束并联机床的控制系统进行了分析,并且针对机床的整体系统提出了一种柔性驱动器;基于该柔性驱动器,提出了一种回零策略;提出了一种力/位混合控制策略,最后通过实验验证了该方法的有效性。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH112

【相似文献】