并联仿生式人工髋关节试验机的奇异性及其规避研究

发布时间：2017-03-18 11:08

  本文关键词：并联仿生式人工髋关节试验机的奇异性及其规避研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：并联机构具有运动灵活、累积误差小、承载能力大等诸多优点,在各领域内应用越来越广泛。但同时,复杂的奇异性成为限制其应用的固有缺陷,一直以来是并联机构的研究热点和难点之一。本文以一种新型并联仿生式人工髋关节试验机的核心运动模块—3SPS+1PS空间并联机构为研究对象,深入研究其奇异性的相关理论和规避方法,为其有效控制以及安全稳定运行提供理论支撑和解决方法。全文工作概括如下:(1)通过构型分岔特性分析奇异作用机理。建立了试验机位置正解的解析模型,得到了只含单一变量的高次输入输出运动方程,保障了位置正解的完备性;在此基础上,借助对单分岔变量时的构型分岔特性分析了试验机在奇异点附近的运动行为和失控自由度的发生机理,并通过三维模型运动仿真进行了验证;提出了一种衡量并联机构在分岔点附近构型稳定性的指标,用于判定机构自由度失控的难易程度,并通过等效运动的方式对失控自由度的方向和幅度进行了判定。(2)从不同角度对奇异进行识别和判定。基于雅可比矩阵得到了位姿参数的奇异轨迹;基于位置正解的封闭解对构型空间进行了分析,依据分布情况与奇异性定义了基本构型空间和特殊构型空间,发现实际中试验机的构型只会落入基本构型空间,而该空间内奇异曲面退化为单一曲面;通过证明将试验机的奇异条件转化为在位置正解模型中得到的单一输入输出方程在实数域内出现重根,据此得到了输入参数的奇异条件方程,以及基本构型空间内输入参数的奇异曲面;针对试验机模拟髋关节运动的工作路径,发现其两次穿越奇异曲面。(3)对试验机相关性能进行评价,为优化设计以及合理规划任务空间提供理论依据。基于雅可比矩阵依次定义了试验机的运动传递指标、静力承载指标和传动刚度指标,并考察了它们工作空间中的分布;基于虚功率原理建立了试验机的动力学模型,以需要驱动力的大小以及变化是否平缓作为评价指标之一,针对模拟髋关节运动的工作路径进行了动力学数值模拟,发现各支链驱动力均在奇异点处发生突变,给试验机的驱动和控制造成困难。(4)对模拟髋关节运动的工作路径进行免奇异优化。通过设定一个虚拟的参考坐标系,使动平台基于虚拟参考系完成对髋关节运动的模拟,从而使实际中的路径避开奇异曲面。以虚拟参考系的姿态为设计变量,以工作路径中的运动传递性能指标均值和驱动力均值以及标准差作为优化目标,以可达运动空间为约束条件,进行优化。优化后的等效工作路径没有奇异,且运动传递性能显著提高,驱动力大幅变小且变化平缓。
【关键词】：并联机构 奇异性 位置正解 性能评价 奇异规避
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH112
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-16
• 变量注释表16-19
• 1 绪论19-30
• 1.1 课题来源和研究背景19-20
• 1.2 人工髋关节试验机研究现状20-22
• 1.3 并联机构的研究现状22-28
• 1.4 选题意义与研究内容28-30
• 2 构型分岔分析30-45
• 2.1 引言30
• 2.2 位置正解分析30-36
• 2.3 构型分岔分析36-44
• 2.4 本章小结44-45
• 3 奇异识别和判定45-58
• 3.1 引言45
• 3.2 基于位姿参数的奇异性45-47
• 3.3 基于输入参数的奇异性47-53
• 3.4 仿髋关节运动路径的奇异性53-56
• 3.5 本章小结56-58
• 4 性能评价58-73
• 4.1 引言58
• 4.2 运动传递58-61
• 4.3 静力承载61-63
• 4.4 理想刚度63-64
• 4.5 驱动力64-71
• 4.6 本章小结71-73
• 5 仿髋关节运动路径的免奇异优化73-87
• 5.1 引言73
• 5.2 优化问题描述73-77
• 5.3 优化方法77-82
• 5.4 优化结果分析82-86
• 5.5 本章小结86-87
• 6 全文总结87-90
• 6.1 主要结论87-88
• 6.2 创新点88
• 6.3 展望88-90
• 参考文献90-97
• 作者简历97-99
• 学位论文数据集99

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 白志富;韩先国;陈五一;;冗余驱动消除并联机构奇异研究[J];航空学报;2006年04期

2 陈永,严静;同伦迭代法及应用于一般6-SPS并联机器人机构正位置问题[J];机械科学与技术;1997年02期

3 张秀峰,孙立宁;精密并联机器人控制算法及控制系统研究[J];机械工程学报;2004年04期

4 李阳;程刚;冯兰兰;;3SPS+1PS仿生并联机构位姿正解和奇异性分析[J];机械传动;2015年05期

5 任路,宋白一,冯祖仁;一种并行结构机器人位置正解问题的加权迭代解法[J];西安交通大学学报;2002年02期

6 ;Singular Assembly Configurations and Configuration Bifurcation Characteristics of the Semi-regular Hexagons 6-6 Gough-Stewart Manipulator[J];Chinese Journal of Mechanical Engineering;2009年06期

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本文编号：254356