大角度柔性并联机构理论分析与实验研究

发布时间：2020-08-06 17:37

【摘要】：传统刚性并联机构虽然具有较大的刚度和较高的控制精度,但其姿态空间小,这使其在工作空间比较狭窄的环境或者对柔顺性要求比较高的场合适应能力较差。本文提出一种大角度柔性并联机构,利用柔性支腿受力在空间中产生大曲率大挠率弯曲变形的致动机理,实现动平台大角度转动,扩展姿态空间;融合运动冗余变刚度机制,进而打破传统刚性并联机构刚度大且调节范围小的限制,具有极大的研究意义。论文首先就大角度柔性并联机构大变形柔性致动问题展开分析,基于这个空白的具有挑战性的设计难点,提出了针对柔性并联机构的伪刚性结构设计方法,即利用线解耦理论及条件数指标优化确定结构参数。之后分析不同铰接形式下柔性支腿本构方程及其边界条件,针对求解柔性支腿常微分本构方程解析解困难的问题,本文采用打靶法求其数值解,并详细分析了打靶法中各参数对算法求解精度和效率的影响,为后续运动学建模奠定基础。在掌握单根柔性支腿本构方程的基础上,展开对大角度柔性并联机构运动学分析。由于柔性支腿本构方程的非线性,柔性并联机构运动学模型除了具有与刚性并联机构运行学相同的位置向量闭环方程外,还需添加力约束方程、铰接约束方程才能求解。对比分析利用打靶法求解运动学反解和正解的精度。在运动学的基础上,利用二分法遍历得到柔性并联机构位置工作空间和姿态空间。分析柔性并联机构静力学问题时,采取将一条柔性支腿等效为三个沿全局坐标系的一组正交弹簧的方法,提出虚拟雅可比矩阵概念,进而完成对柔性并联机构静力学数学模型的建立。在静力学的基础上,推导得到单根柔性支腿刚度矩阵,利用虚功法将单根支腿刚度矩阵映射到全局得到柔性并联机构整体刚度矩阵,并用齐次刚度条件数指标和齐次平均刚度指标评价柔性并联机构刚度空间分布情况。之后对柔性并联机构变刚度机理展开研究。最后,根据构型参数搭建大角度柔性并联机构本体样机和测量装置,通过实验对运动学模型和刚度理论进行综合验证。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH112
【图文】：

调节整体刚度为目标，对其运动学 静力学 刚度展开分析，并探索运余变刚度机理 机器人不仅能够代替人类完成机械性和危险系数高的工作 在工业生产助人类提高效率，还能在一些领域实现比人类更高的工作精度，具有巨大际应用价值[1] Robinson 等人[2]在 1999 年提出将机器人分为三大类型：离机器人 蜿蜒型机器人以及柔性连续型机器人 离散型机器人，由离散的刚性杆和关节组成，其结构表现出离散特性，依赖关节的旋转或者直线驱动 离散型机器人整体的运动控制是通过对每节的驱动控制实现的，其中连杆构成机器人的本体，确定各个关节间位置[3]，见图 1-1 离散型机器人分为串联机器人和并联机器人，串联机器人结单 控制容易 成本低，但其承载能力弱 误差逐级累积；并联机器人精 刚度大 承载能力强，但因其转动角度有限，运动空间小且具有耦合特性制复杂[4] 总体来看，离散型机器人只有有限个关节数量，这使得其运动自有限，因此在工作空间比较狭小的环境或者对柔顺性要求比较高的场合适力较差

移动[5] 蛇形机器人是蜿蜒型机器人的典型代表，被各国研究学者广泛深入研究，如图 1-2 所示 但是蜿蜒机器人输出效率低，导致运动效果不佳，大多只具有平面运动能力，三维空间运动能力差 尤其是当蜿蜒机器人遇到低矮障碍，或外界干扰引起身形发生大幅度变化时，很难顺利完成翻越动作或调节自身体形适应环境向前运动 此外，蜿蜒型机器人躯干尺寸大，无法做到微小模式[6] 柔性连续型机器人采用 无脊椎 柔性结构，机器人采用形状可以灵活改变的绳索或柔性支柱进行驱动，不具有任何离散关节和刚性连杆[7]，如图 1-3 所示 传统 Stewart 并联机构为保证安全性能和可靠性，动平台运动角度受限，但由于柔性支腿可以发生任意角度弯曲，拥有优良的弯曲性能，使得柔性机器人能够根据环境障碍物的状况而灵活改变自身形状，极大程度地扩大了运动空间对工作空间受限的环境和柔顺性能要求高的场合具有独特的适应能力 但由于柔性支腿的细长结构，柔性机器人一直被设计成串联或混联形式[8]，需要加一系列的支撑环维持形状和刚度，不仅增加了机器人结构的复杂度，使得多自由度弯曲控制变得困难，而且由于类似串联式的结构限制，柔性机器人负载能力较差，这在一定程度上限制了机器人的工作空间与工作条件

移动[5] 蛇形机器人是蜿蜒型机器人的典型代表，被各国研究学者广泛深入研究，如图 1-2 所示 但是蜿蜒机器人输出效率低，导致运动效果不佳，大多只具有平面运动能力，三维空间运动能力差 尤其是当蜿蜒机器人遇到低矮障碍，或外界干扰引起身形发生大幅度变化时，很难顺利完成翻越动作或调节自身体形适应环境向前运动 此外，蜿蜒型机器人躯干尺寸大，无法做到微小模式[6] 柔性连续型机器人采用 无脊椎 柔性结构，机器人采用形状可以灵活改变的绳索或柔性支柱进行驱动，不具有任何离散关节和刚性连杆[7]，如图 1-3 所示 传统 Stewart 并联机构为保证安全性能和可靠性，动平台运动角度受限，但由于柔性支腿可以发生任意角度弯曲，拥有优良的弯曲性能，使得柔性机器人能够根据环境障碍物的状况而灵活改变自身形状，极大程度地扩大了运动空间对工作空间受限的环境和柔顺性能要求高的场合具有独特的适应能力 但由于柔性支腿的细长结构，柔性机器人一直被设计成串联或混联形式[8]，需要加一系列的支撑环维持形状和刚度，不仅增加了机器人结构的复杂度，使得多自由度弯曲控制变得困难，而且由于类似串联式的结构限制，柔性机器人负载能力较差，这在一定程度上限制了机器人的工作空间与工作条件

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本文编号：2782741