广义混联机构解耦的统一理论模型与型综合方法

发布时间：2020-03-26 09:41

【摘要】：解耦机构的输出自由度可由相应的输入驱动单独实现,具有良好的运动性能、控制特性及可操作性,是各类机械装备的首选构型,受到学者们及产业界的高度关注。随着解耦构型方式的拓展,构建各类解耦机构的统一理论模型是进行解耦机构型综合的基础理论内容;以支链解耦为基础,扩充并联解耦机构与混联解耦机构的构型图库,可为构建各类高尖端解耦机械装备提供重要的理论依据。本文以广义混联机构(包括串联机构、并联机构、混联机构及模块化的混联机构)为对象,主要开展以下几方面的研究工作:(1)建立广义混联机构解耦的统一理论模型。以广义混联机构为对象,从矩阵理论及微分几何两个角度对广义混联机构进行解耦的数学描述并对其进行分类。在泛函代数统一模式下,将机构的关节空间与操作空间及机构的驱动信息空间与运动模式空间统一描述为拓扑空间的映射关系。建立广义混联机构解耦的拓扑关系映射模型,为广义混联机构的构型判定提供统一的理论依据。(2)建立串联型支链解耦的综合流程。根据运动合成规律,分析平面轴线、空间轴线及共点轴线的迁移规律。基于支链的输出运动特征,提出正则解耦输出运动的综合准则,构建正则解耦输出运动特征的实现条件。基于解耦并联机构输出平台的运动特征,提炼支链间的结构关系。证明了几类可实现解耦特征的支链构型及常见的复合运动副,借助形态学算法给出支链解耦的综合流程。(3)基于旋量理论及李群进行并联机构解耦的型综合。利用李群理论综合满足运动输出要求的支链。借助并联机构运动旋量系与约束旋量系的互易关系;支链的约束旋量系与机构约束旋量系集合间的关系,配置各条支链的约束旋量系,从而得到各条支链的运动旋量系。从李群综合得到的支链中,选取满足支链运动旋量系且具有正则解耦特征的支链,通过不同自由度的解耦支链连接动平台与静平台构成并联解耦机构。以2T1R并联机构为例进行解耦型综合。(4)基于冗余约束进行并联机构解耦的型综合。依据机构输出运动特征构建运动特征链,以并联构型各运动链存在的冗余约束为基础,以输出特征运动链约束旋量系的子旋量系为条件进行支链综合。用具有不同约束旋量系的支链及输出特征运动链连接动平台与静平台,通过选择恰当的驱动副实现构型的解耦综合。以2R1T并联机构为例进行解耦型综合。(5)基于广义基本运动链进行混联机构解耦的型综合。基于正则解耦运动特征,通过位姿分离,以移动并联解耦机构的动平台与正则转动特征的运动副串联构成广义基本运动链。融合正则移动特征的驱动支链与正则转动特征的驱动支链间的解耦,实现混联机构的解耦综合。以3T2R混联机构为例进行解耦型综合。
【图文】：

解耦,机构学,并联机构,混联

⒖捎行П苊馊斯げ僮髟斐傻牟汔瘛?T2R 并联解耦机构如图1.2(a)所示，被用于外科手术的头部支架，满足了外科手术三个方向的移动及两个方向转动的精确控制。两个解耦并联机构搭建的模块化混联机器人如图 1.2(b)，有望应用于腹腔镜的临床手术中。6 自由度解耦并联机构被用于长骨骨折的恢复机构。解耦机构在各种手术机器人中的应用、在各种康复医疗机器人中的创新、在辅助医疗设备中的拓展，是机器人与机构学的重要发展方向，成为机构学重要的跨学科领域，为机构学研究拓展出新的研究方向。(a) 头部支架解耦并联机构 (b) 模块化混联解耦腹腔镜手术机构图 1.2 解耦机构在医疗中的应用Fig. 1.2 Applications of decoupled mechanisms in medical treatment解耦机构输出运动的自由度可由相应的驱动输入单独实现，易于实现更高的运动精度，具有良好的运动性能及控制特性等优点，，已初步应用于工业、航空航天系统、医疗康复及仿生工程等领域，呈现了良好的应用前景。因此,实现并联构型解耦、构建混联结构形式的解耦机构、以及探索以并联机构为模块搭建串并、混联解耦机构系统。可大大提高机械加工装备、各类专用设备、电子通信设备、精密仪器等各类机构产品的应用性能。随着各类解耦构型的拓展，进行解耦构型判断的统一理论模型及扩充各类解耦构型的构型图库，对机构学适应现代产业的发展具有重要的学术研究价值。

混联,机构

中北大学学位论文劳试验机的备选构型；这类构型的工作模式主要基于点式操作模式，仅一个末端执行器对工件及物料进行操作；这类机构主要用于物料选取机器人台、太阳能跟踪机构等场合。由两个(UPS-UPU-U)&RR 的串、并联机构组，可用于四自由度下肢康复机构，实现坐、躺、站三种不同姿态的康复训机多用的功能；这类构型是基于模块化混联机构系统的设计；属于两条或操作器对同一个对象进行作用；其输出方式为多点协同作业模式。如 Tri机构、五轴联动混联机床等，均属于此类构型，主要适用于复杂输出运动
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH112

【参考文献】