基于共形几何代数的1T2R和2R1T并联机构构型综合与优选

发布时间：2020-03-23 08:48

【摘要】：本文密切结合我国高端装备制造业对高档数控机床和机器人的重要需求,借助共形几何代数(CGA)这一数学工具,以具有两转动及一移动(1T2R和2R1T)运动的并联机构为研究对象,对其开展了构型综合、全关节逆解和拓扑构型优选等工作。主要取得的研究成果如下:(1)构型综合。基于共形几何代数,对1T2R和2R1T这两类并联机构进行统一构型综合。描述1T2R和2R1T并联机构动平台的连续运动,并推导两者之间的内在联系;根据动平台运动与支链运动的关系,运用共形几何代数的运算性质,得到每一类支链中各运动副轴线的装配条件;通过七类运动副组合之间的等效替换,生成等效支链;为防止机构出现目标运动以外的自由度,给定支链间的装配条件,综合得到1T2R和2R1T并联机构。(2)全关节逆解。将并联机构的全关节逆解问题分解为各支链的全关节逆解问题。以支链各运动副装配条件为基础,采用参数化的方法建立四类基本支链的运动学模型,得到基本支链的全关节逆解;通过七种运动副组合之间的运动学关系,得到等效支链的全关节逆解;利用1T2R和2R1T机构之间的联系,得到两者的全关节逆解。(3)拓扑构型优选。通过对并联机构进行静力分析和刚度分析,并运用虚功原理,建立并联机构各关节刚度同动平台刚度之间的映射模型;从能量的角度出发,以动平台发生单位形变时机构存储的能量为基础,构造拓扑构型评价指标。借助全关节逆解,以该指标为依据对七类1T2R并联机构进行快速优选,并研究支链拓扑结构、支链布局对机构刚度性能的影响。
【图文】：

并联机构,串联机器人

第一章绪论根据机构的拓扑组成，工业机器人可分为两类：串联机器人和并联机器人。串联机器人具有较高的灵活性和较大的工作空间，目前对串联机器人的认知和设计已基本成熟，全球多家机器人公司已研发出多种基于串联机器人的制造装备，如 ABB 公司的 IRB 机器人和 KUKA 公司的 KR 机器人（图 1-1），该类机器人已经在汽车工业、电子电气等行业得到了广泛的应用。并联机器人与串联机器人形成互补，具有刚度/体积比大、动态性能好、精度高以及便于模块化设计等优点，受到了国内外学者的广泛关注，已应用到现代尖端技术的诸多领域，如航空航天运载模拟器、卫星跟踪系统、宇宙飞船对接、五轴数控机床、高精密未操作机器人、康复机器人等[2-4]（图 1-2）。

机器人,并联机构

第一章绪论工、汽车制造和装配等领域得到了成功的应用[10]。其中，Tricept[11]，Sprint Z3[12]和 Exechon[13]是这类少自由度并联机构中最成功的例子。Tricept 机器人由并联机构本体部分和一个两自由度 A/C 转头组成，如图 1-3所示。其中，并联机构本体部分由一条被动 UP 支链和三条轴对称布置的主动UPS 无约束支链构成（U 表示虎克较，P 表示移动副，P 表示主动移动副，S 表示球铰链），具有两个转动和一个移动 (2R1T) 的运动能力。在Tricept机器人中，两自由度 A/C 转头用于调整末端姿态，并联机构部分主要用于实现对末端位置的控制，因此，该并联机构又被称为位置类机构。Tricept 机器人具有较高的可重构性和良好的动态性能，已经广泛应用于航空航天、汽车工业等领域[14]。例如，大众、通用、宝马等著名汽车生产商均已购买 Tricept 机器人的专利使用许可，将其应用于汽车箱体类零部件加工和装配；空客、波音等著名航空公司将 TriceptT9000 用于大型飞机结构件的铣削加工。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242;TH112

【参考文献】