一种四自由度微动柔顺平台的设计与研究

发布时间：2017-03-17 10:07

  本文关键词：一种四自由度微动柔顺平台的设计与研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：基于柔顺机构的定位或调整装置目前广泛地应用于各种新型的高科技领域,在微机电,机器人以及生物医疗等领域中发挥着不可替代的作用。本文意在设计一种具有DxDyRxRy四自由度的柔顺微动平台,并基于螺旋理论对它进行相关的分析和研究。本文首先提出柔顺微动结构的设计思路。利用约束螺旋理论论证了无法综合出具有2Rxy2Txy四自由度的中心对称刚性并联机构的结论。通过在Awtar二自由度柔顺平台的基础上搭载具有RxRy微转动自由度的柔顺结构,综合出了一种具有DxDyRxRy四自由度的柔顺微动结构方案,并用SOLIDWORKS软件建立了这种柔顺机构的三维模型。其次,阐述了应用螺旋理论分析柔顺机构自由度的原理和方法。将所设计的柔顺微动机构分解为相互串联或并联的柔顺单元,利用螺旋量的坐标变换逐步地推导出了柔顺滑移铰链和柔顺虎克铰链以及各柔顺支腿的自由度空间矩阵或约束空间矩阵,最终导出整个柔顺微动平台的自由度空间矩阵表达式,从而表示并验证了柔顺机构所具有的DxDyRxRy四自由度。然后,应用螺旋理论中力螺旋和运动螺旋的概念推导得到了柔顺滑移铰链在小形变范围内的线性柔度矩阵,对于其轴向柔度,通过有限元仿真对理论结果进行了验证,两者的相对误差为1.3%。对于柔顺虎克铰,通过仿真得到了它的两个旋转自由度的柔度值。利用螺旋理论推导了柔顺微转动平台的输入柔度表达式,它是柔顺微转动平台中作用的两个驱动力或驱动位移与动平台的微旋转角度之间的关系。又进一步推导得到了动平台输入柔度表达式的简化形式,并通过有限元进行了仿真分析,表明理论结果与仿真结果的相对误差约为7.3%。最后,针对所设计的四自由度柔顺平台的工作空间进行了分析,由于Awtar平动柔顺机构与柔顺微转动平台结构的工作空间相互之间不耦合的特点,而采用分别求解然后进行叠加的分析方法。以1.3的安全系数下材料达到弹性极限作为柔顺机构处于工作空间边界的判断依据,通过有限元仿真得到动平台在16处等间距的旋转方向上的最大转角,进而利用MATLAB进行曲面插值得到了动平台在整周范围内形成的两个直纹曲面,这两个曲面之间的区域即为动平台的微转动工作空间;利用仿真分析得到Awtar柔顺平台近似的正方形工作空间区域大小。
【关键词】：四自由度 柔顺机构 解耦 螺旋理论 柔度分析 工作空间
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH112
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-12
• 符号对照表12-14
• 缩略语对照表14-17
• 第一章 绪论17-23
• 1.1 研究的背景和意义17
• 1.2 柔顺机构概述17-18
• 1.3 柔顺微纳定位/调整平台的研究现状18-21
• 1.4 本文主要工作21-23
• 第二章 微动柔顺平台的构型设计23-35
• 2.1 引言23
• 2.2 四自由度全对称刚性并联机构的综合23-25
• 2.3 柔顺模块的选取与分析25-34
• 2.3.1 柔顺铰链的类型25-27
• 2.3.2 Awtar柔顺平台27-31
• 2.3.3 转动柔顺模块设计31-33
• 2.3.4 DxDyRxRy四自由度柔顺平台33-34
• 2.4 本章小结34-35
• 第三章 微动柔顺平台的自由度分析35-53
• 3.1 引言35
• 3.2 螺旋理论概述35-39
• 3.2.1 直线的矢量表示35-36
• 3.2.2 线矢量与螺旋36-37
• 3.2.3 旋量的代数运算37
• 3.2.4 刚体的瞬时运动螺旋37-38
• 3.2.5 刚体上作用的力螺旋38-39
• 3.2.6 反螺旋系及其物理意义39
• 3.3 柔顺机构自由度分析39-52
• 3.3.1 柔顺机构自由度分析原理39-42
• 3.3.2 典型柔顺铰链的自由度空间矩阵的建立42-44
• 3.3.3 四自由度柔顺平台的自由度验证44-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第四章 微动柔顺平台的柔度建模与分析53-73
• 4.1 引言53
• 4.2 柔顺机构线性柔度矩阵的分析方法53-54
• 4.3 柔顺滑移铰的柔度分析54-62
• 4.3.1 柔顺滑移铰链柔度矩阵的推导54-60
• 4.3.2 柔度阵的算例与轴向刚度仿真验证60-62
• 4.4 柔顺虎克铰柔度矩阵的建立62-63
• 4.5 柔顺微转动平台的输入柔度分析63-71
• 4.5.1 输入柔度表达式的推导63-71
• 4.5.2 平动自由度与旋转自由度的控制独立性71
• 4.6 本章小结71-73
• 第五章 微动柔顺平台的工作空间分析73-83
• 5.1 引言73
• 5.2 柔顺平台的工作空间分析73-81
• 5.2.1 柔顺微转动平台的工作空间分析73-79
• 5.2.2 Awtar柔顺平台的工作空间分析79-81
• 5.3 本章小结81-83
• 第六章 总结与展望83-85
• 6.1 总结83-84
• 6.2 展望84-85
• 附录A85-87
• 参考文献87-91
• 致谢91-93
• 作者简介93-95

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