3-RCU型并联机构结构尺寸优化及运动特性分析

发布时间：2017-05-25 04:07

  本文关键词：3-RCU型并联机构结构尺寸优化及运动特性分析，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：并联机构是机构学方向的热点课题之一。它在医疗科学、生物、航天航空等领域都有广阔的应用前景。本文的研究对象是3-RCU型并联机构,该机构由三条完全相同的RCU支链构成,它在空间中能实现三个方向的运动。本文主要分析了该研究对象的运动学和微运动学、奇异位形、工作空间、可视化运动仿真和其控制系统的设计。利用传统的计算空间并联机构自由度的方法和螺旋的方法分别计算了该研究对象的自由度,两种方法得出的结果都是该研究对象有三个自由度,验证了所用方法的正确性。基于螺旋理论对该研究对象的运动情况进行了分析,得出该研究对象有一个沿Z轴方向的移动。分别建立该研究对象的驱动模型和约束模型,得到能反映出该研究对象输入到输出之间位置关系的驱动方程和约束方程。采用微分近似的算法对该研究对象的微分运动学进行了分析,得到该研究对象在微动情况下输入和输出之间的映射关系。计算出该研究对象的约束雅可比矩阵、运动雅克比矩阵和整体雅克比矩阵,基于奇异位形的判断准则分析了该研究对象处于约束奇异和运动奇异的条件和种类。得出在以该研究对象圆柱副中的移动副为主动副时,发生约束奇异有4种情况,发生运动奇异有25种情况。通过对该研究对象建立模拟框图,输入适当的驱动参数,对其进行模拟,并编写程序收集该研究对象动平台中心点经过的所有点的集合,使这些点在同一个三维坐标系中显示出来,分析了该研究对象尺寸优化前后所得工作空间点集图的情况。得出在尺寸优化前所得的工作空间点集图比较零散,跳跃幅度大,尺寸优化后所得的工作空间点集图比较密集。利用Simmechanics对该研究对象进行可视化运动仿真,验证了之前分析的运动结果的正确性,检验了该研究对象能正常运动,并且各个支链之间不会发生干涉现象。利用Matlab软件对该研究对象进行控制系统设计,通过添加PID控制并对其参数进行适当调适。得到增加PK的值和减小IK的值时,对该控制系统的不同影响效果。并以控制效果比较好的位置变化图作为该研究对象动平台的位置跟踪图。本文的研究工作有助于该研究对象的动力学分析及其样机的设计和研发,同时,也为研究类似的并联机构提供了理论基础。
【关键词】：3-RCU型并联机构 微分运动学 奇异位形 工作空间 PID控制
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH112
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 课题研究背景和意义10-11
• 1.1.1 课题研究的背景10-11
• 1.1.2 课题研究的意义11
• 1.2 并联机构的研究现状11-13
• 1.3 并联机构的理论研究现状13-17
• 1.3.1 运动学分析13-14
• 1.3.2 奇异位形分析14-15
• 1.3.3 避免奇异位形分析15
• 1.3.4 工作空间15-16
• 1.3.5 运动仿真分析16-17
• 1.3.6 控制系统17
• 1.4 本文主要研究内容17-19
• 第二章 3-RCU型并联机构的运动学和微运动学分析19-30
• 2.1 螺旋理论概述19-20
• 2.2 3-RCU型并联机构的自由度分析20-22
• 2.2.1 基于传统计算方法分析 3-RCU型并联机构的自由度20
• 2.2.2 基于螺旋理论分析 3-RCU型并联机构的自由度20-22
• 2.3 3-RCU型并联机构的运动情况分析22-23
• 2.4 运动学建模23-27
• 2.4.1 3-RCU型并联机构的驱动模型23-26
• 2.4.2 3-RCU型并联机构的约束模型26-27
• 2.5 3-RCU型并联机构的微分运动分析27-28
• 2.6 本章小结28-30
• 第三章 3-RCU型并联机构的奇异分析30-38
• 3.1 奇异位形的定义30
• 3.2 奇异位形的基本分类30-31
• 3.2.1 按奇异形成的原因分类30-31
• 3.2.2 按速度关系分类31
• 3.3 分析奇异位形的方法31
• 3.4 3-RCU型并联机构的雅可比矩阵分析31-34
• 3.4.1 3-RCU型并联机构的约束雅可比矩阵31-33
• 3.4.2 3-RCU型并联机构的运动雅可比矩阵33-34
• 3.4.3 3-RCU型并联机构的完整雅可比矩阵34
• 3.5 用线几何法分析 3-RCU型并联机构的奇异性34-37
• 3.5.1 Grassmann线几何分类34-35
• 3.5.2 约束奇异35
• 3.5.3 运动奇异35-37
• 3.6 本章小结37-38
• 第四章 3-RCU型并联机构工作空间的分析38-46
• 4.1 工作空间的定义和影响因素38-39
• 4.1.1 并联机构工作空间的定义38
• 4.1.2 影响并联机构工作空间的因素38-39
• 4.2 利用Matlab/Simulink建立 3-RCU型并联机构的模拟框图39-41
• 4.3 尺寸优化前的工作空间分析41-43
• 4.4 尺寸优化后的工作空间分析43-44
• 4.5 本章小结44-46
• 第五章 3-RCU型并联机构的仿真及控制系统设计46-56
• 5.1 Matlab和Solidworks软件的结合46
• 5.2 3-RCU型并联机构仿真模型的建立46-47
• 5.2.1 3-RCU型并联机构的基本零件的Solidworks模型46
• 5.2.2 3-RCU型并联机构的装配体的Solidworks模型46-47
• 5.3 3-RCU型并联机构的可视化仿真47-49
• 5.4 3-RCU型并联机构的控制系统设计49-54
• 5.4.1 3-RCU型并联机构初始条件部分的设计49-50
• 5.4.2 3-RCU型并联机构控制器部分的设计50
• 5.4.3 3-RCU型并联机构主体部分的设计50-51
• 5.4.4 3-RCU型并联机构控制系统的设计51-52
• 5.4.5 3-RCU型并联机构的控制52-54
• 5.5 本章小结54-56
• 第六章 总结与展望56-58
• 6.1 总结56-57
• 6.2 展望57-58
• 参考文献58-61
• 附录A61-64
• 附录B64-66
• 致谢66-67
• 攻读学位期间的研究成果67-68

【参考文献】

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本文编号：392678