基于Stewart平台的并联调姿及柔性力传感器刚度技术研究

发布时间：2017-05-21 15:09

  本文关键词：基于Stewart平台的并联调姿及柔性力传感器刚度技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文以Stewart平台并联机构刚度为研究出发点，为并联机构在大型重载式并联调姿机构和柔性并联六维力传感器在工程实际应用中的性能要求提供技术支撑。通过三维建模软件、虚拟仿真技术和数据处理软件三者间的有机融合，，对系统结构刚度进行整体建模，提炼优化设计参数，确定研究对象的性能指标，着重研究并联机构在工程应用中遇到的技术难题，为开发和研制新型的并联机构提供重要的理论依据，对并联机构在工程应用上的推广具有重要的实践意义。本文主要的研究如下： 首先，通过引入串/并联机构的二阶影响系数矩阵，给出串/并联机构的雅克比矩阵转置微分与外载荷乘积形式的几何意义及外载荷影响项子元素的物理意义；定义三维数组不同的转置形式，建立串/并联机构在不同空间下的正逆向保守刚度矩阵模型，得到考虑外力影响后的Stewart并联机构统一的保守刚度矩阵模型，讨论二阶影响系数矩阵的分类及对称性问题和外力对机构刚度影响的意义。 其次，基于并联机构的影响系数法和虚功原理构建天线副面调整机构的完整刚度模型。构造单分支支链的轴向线刚度模型，考虑虎克铰和球铰对分支杆轴向刚度的影响。通过引入变动参数求解得到副面调整机构在定平台可动时的完整刚度矩阵，充分解决副面调整机构在空间任意位姿下刚度矩阵的计算问题。确定天线副面调整机构的刚度性能评价指标，研究结构参数对其性能指标的影响规律。 再次，构建基本柔性铰链链如柔性杆、圆弧型柔性铰链、直圆型柔性铰链和柔性移动副等空间形式的6×6柔度矩阵，探讨变矩形截面扭转柔度的解析计算公式，推导柔性球铰柔度矩阵各柔度子元素的设计计算公式。 最后，基于柔性串联支路的变形叠加原理和柔性串联支路并联组合的变形协调条件，构建柔性并联六维力传感器整体刚度矩阵和建立传感器六维外力与分支杆轴向作用力之间的受力映射关系。提出基于最小奇异值的优化指标的传感器尺寸优化设计方法，分析传感器基本尺寸参数对传感器性能指标的影响规律。
【关键词】：并联调姿机构 六维力传感器 并联机构 柔性铰链 影响系数矩阵 刚度/柔度 尺寸优化 性能指标
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH112;TP212
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 课题研究的背景及意义11-12
• 1.2 课题相关的研究现状12-19
• 1.2.1 并联机构的定义及应用发展12-13
• 1.2.2 并联机构刚度的研究现状13-14
• 1.2.3 柔性并联机构的研究现状14-17
• 1.2.4 六维力传感器的研究现状17-19
• 1.3 论文的主要研究内容19-21
• 第2章 δJ~TF 的几何意义及其在静刚度求解中的应用21-39
• 2.1 引言21
• 2.2 三维数组转置定义21-22
• 2.3 δJ~TF 的几何意义及计算方法22-27
• 2.3.1 δJ~TF 的几何意义22-25
• 2.3.2 δJ~TF 的计算方法25-27
• 2.4 δJ~TF 在并联机构中的应用27-30
• 2.4.1 δJ~TF 在 Stewart 并联机构中的应用27-29
• 2.4.2 δJ~TF 在预紧式 Stewart 六维力传感器中的应用29-30
• 2.5 关于外力对机构刚度影响的两点说明30-33
• 2.5.1 串/并联机构的二阶影响系数矩阵31-32
• 2.5.2 外力对串/并联机构的刚度影响32-33
• 2.6 数值算例33-38
• 2.6.1 平面 2R 串联机器人33
• 2.6.2 空间 6R 串联机器人33-35
• 2.6.3 平面 3-RPR 并联机器人35-36
• 2.6.4 空间 6-SPS Stewart 并联机器人36-37
• 2.6.5 预紧式 6-1/3-3-1 型 Stewart 结构六维力传感器37-38
• 2.7 本章小结38-39
• 第3章 天线副面并联调姿机构完整刚度建模及性能分析39-67
• 3.1 引言39-40
• 3.2 天线副面调整机构完整刚度模型40-45
• 3.2.1 天线副面调整机构的一阶影响系数矩阵40-42
• 3.2.2 天线副面调整机构完整刚度模型构建42-45
• 3.3 构造 UPS 支链轴向线刚度模型45-48
• 3.3.1 构造虎克铰轴向线刚度系数45-47
• 3.3.2 构造 UPS 支链轴向线刚度模型47-48
• 3.4 定平台可动时天线副面调整机构完整刚度矩阵48-51
• 3.4.1 定平台置于动平台上方时副面调整机构受力确定48-50
• 3.4.2 定平台可动时副面调整机构完整刚度矩阵50-51
• 3.5 天线副面调整机构刚度及微位移分析51-57
• 3.5.1 副面调整机构主要结构参数51-52
• 3.5.2 初始位姿时调整机构刚度分析52-53
• 3.5.3 动平台中心微位移分析53-55
• 3.5.4 动平台中心在初始高度平面内的微位移分析55
• 3.5.5 有限元仿真验证55-57
• 3.6 天线副面调整机构刚度性能分析与评价57-66
• 3.6.1 刚度评价指标57-59
• 3.6.2 尺寸参数对机构初始位姿最小奇异值的影响分析59-66
• 3.7 本章小结66-67
• 第4章 基本柔性单元概述及其柔度矩阵建立67-89
• 4.1 引言67
• 4.2 基本柔性单元概述67-69
• 4.3 基本柔性单元空间形式的柔度矩阵建立69-88
• 4.3.1 悬臂梁单元的柔度矩阵69-71
• 4.3.2 圆弧型柔性铰链的柔度矩阵71-79
• 4.3.3 直圆型柔性铰链的柔度矩阵79-80
• 4.3.4 柔性球铰的柔度矩阵80-85
• 4.3.5 柔性移动副的柔度矩阵85-88
• 4.4 本章小结88-89
• 第5章 柔性并联六维力传感器刚度建模与受力映射解析89-119
• 5.1 引言89
• 5.2 柔性并联六维力传感器结构特点89-91
• 5.3 柔性并联机构刚度建模方法91-95
• 5.3.1 柔性串联支路刚度建模91-93
• 5.3.2 柔性并联机构刚度建模93-95
• 5.4 柔性并联六维力传感器刚度建模95-103
• 5.4.1 基本柔性单元柔度矩阵坐标变换及柔度建模95-98
• 5.4.2 六维力传感器单分支柔性串联支路刚度建模98-100
• 5.4.3 柔性并联六维力传感器刚度建模100-103
• 5.5 柔性并联六维力传感器受力映射解析103-106
• 5.6 柔性并联六维力传感器刚度及性能分析106-117
• 5.6.1 柔性并联六维力传感器基本结构参数及刚度矩阵106-108
• 5.6.2 有限元仿真验证108-111
• 5.6.3 柔性并联六维力传感器尺寸优化111-114
• 5.6.4 柔性并联六维力传感器性能分析114-117
• 5.7 本章小结117-119
• 结论119-121
• 参考文献121-127
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果127-128
• 致谢128-129
• 作者简介129

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 李树军;Clement Gosselin;;3-RRR平面并联机构的刚度特性分析[J];东北大学学报(自然科学版);2007年01期

2 赵延治;张洁;赵铁石;;弹性铰平面并联三自由度机器人连续刚度映射研究[J];燕山大学学报;2008年04期

3 吴鹰飞,周兆英;柔性铰链的设计计算[J];工程力学;2002年06期

4 张景柱;徐诚;赵彦峻;;新型柔性铰链的柔度计算[J];工程力学;2008年11期

5 陈贵敏;韩琪;;深切口椭圆柔性铰链[J];光学精密工程;2009年03期

6 钟春华;杨春辉;;全柔性铰链平面并联微动机器人的静刚度性能分析[J];华东交通大学学报;2012年02期

7 朱仁胜;沈健;谢祖强;陈长琦;;双轴柔性铰链柔度的设计计算[J];合肥工业大学学报(自然科学版);2009年09期

8 王纪武,陈恳,李嘉;典型柔性铰链的结构参数对其刚度性能影响的研究[J];机器人;2001年01期

9 尹小琴,马履中,杨启志,陈瑞芳;3-RRC全柔性机构中柔性铰链刚度矩阵建立[J];江苏大学学报(自然科学版);2003年04期

10 杨启志,尹小琴,马履中,杜生超;能量法求解全柔性微动机器人移动副的刚度[J];江苏大学学报(自然科学版);2005年01期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 姚建涛;大量程并联式六维力传感器基础理论与实验研究[D];燕山大学;2010年

  本文关键词：基于Stewart平台的并联调姿及柔性力传感器刚度技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：384004