一种3-CRCR/RPU对称并联机器人机构工作空间及运动学分析
发布时间：2021-09-08 11:03
提出一种新型对称3-CRCR/RPU并联机构,借助修正的Kutzbach-Grübler公式,结合螺旋理论进行分析,该机构具有4个自由度。根据几何约束条件列写矢量方程,以解析解形式给出该机构的运动学正解和逆解,基于逆解对机构速度和加速度进行分析,对机构雅可比矩阵分析知,该机构不含奇异位形且部分解耦。应用ADAMS软件建立仿真模型,验证运动学模型的正确性。根据机构各关节限制约束条件给出其工作空间,得出机构具有类斜六面体的α-β-z位姿子空间。最后,研究机构结构参数对工作空间的影响,并基于改进后的全局性能指标ηJ研究不同结构参数下机构整体性能分布,从而为该机构的空间轨迹规划、结构设计的优化问题提供参考。
【文章来源】：中国机械工程. 2017,28(20)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图１３－ＣＲＣＲ／ＲＰＵ并联机构Ｆｉｇ．１３－ＣＲＣＲ／ＲＰＵｐａｒａｌｌｅｌｍｅｃｈａｎｉｓｍ
心通过共轴线的转动副Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６连接各ＣＲＣＲ支链末端的滑杆，这些滑杆位于动平台所在平面内且沿动平台半径方向分布；滑杆另一端添加滚轮，动平台上有环形滚道，沿动平台所在平面的圆周方向分布，滚轮与滚道之间滚动接触，滑杆绕动平台中心位置转动，转动副Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６在其所在平面内转动。并联机器人机构通过安装在机架上的３个直线驱动器驱动圆柱副Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３，以及１个旋转驱动器驱动转动副Ｒ７，使机构获得４－ＤＯＦ运动输出。图２３－ＣＲＣＲ／ＲＰＵ并联机器人机构模型Ｆｉｇ．２Ｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅ３－ＣＲＣＲ／ＲＰＵｐａｒａｌｌｅｌｍｅｃｈａｎｉｓｍ借助螺旋理论来分析机构的支链自由度。将定平台坐标系ｏ０ｘ０ｙ０ｚ０移动到动平台原点ｏ１得到坐标系ｏ′ｘ′ｙ′ｚ′，并在此坐标系下得到各运动支链的运动螺旋系＄ｉ（ｉ＝１，２，３，为３条ＣＲＣＲ运动支链；ｉ＝４，为ＲＰＵ运动支链）：＄ｉ１：（０，０，１，；ｂｉ１，－ａｉ１，０）＄ｉ２：（０，０，０；０，０，１）＄ｉ３：（ｅｉ１，ｆｉ１，０；－ｃｉ１ｆｉ１，ｃｉ１ｅｉ１，ａｉ１ｆｉ１－ｅｉ１ｂｉ１）＄ｉ４：（ｅｉ２，ｆｉ２，ｇｉ２；０，０，０）＄ｉ５：（０，０，０；ｅｉ２，ｆｉ２，ｇｉ２）＄ｉ６：（ｅｉ３，ｆｉ３，ｇｉ３；０，０，０）烍烌烎（１）ｉ＝１，２，３＄４１：（０，０
，γ）表示。动平台所在平面的方向由动平台坐标系ｏ１ｘ１ｙ１ｚ１中ｚ１轴在定平台坐标系ｏ０ｘ０ｙ０ｚ０下的单位矢量Ｓ０（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）来表示；３条ＣＲＣＲ支链中主动圆柱副轴线与动平台所在平面的交点坐标分别由位置矢量ｒ１、ｒ２、ｒ３表示；中心ＲＰＵ支链上虎克铰中心ｏ１坐标由矢量ｒ４表示；ａ表示动平台各ＣＲＣＲ支链上圆柱副Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３到恰约束支链ＲＰＵ上移图３３－ＣＲＣＲ／ＲＰＵ机构分析Ｆｉｇ．３Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅ３－ＣＲＣＲ／ＲＰＵｍｅｃｈａｎｉｓｍ动副Ｐ轴线间的距离。机构动力学逆解是，已知动平台输出参数，求解各驱动器输入参数，即求解各ＣＲＣＲ支链输入ｚ１、ｚ２、ｚ３，以及ＲＰＵ支链上转动副Ｒ７输入转角θ。单位矢量Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３表示３条ＣＲＣＲ支链上主动驱动圆柱副轴线；单位矢量Ｓ４表示ＲＰＵ支链主动旋转副轴线。所求各ＣＲＣＲ支链圆柱副Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３分别与动平台所在ｘ１ｏ１ｙ１平面的矢量方程［１］如下：ｒ１（Ｓ１·Ｓ０）＝Ｓ０×Ｓ０１＋Ｓ００·Ｓ１（５）ｒ２（Ｓ２·Ｓ０）＝Ｓ０×Ｓ０２＋Ｓ００·Ｓ２（６）ｒ３（Ｓ３·Ｓ０）＝Ｓ０×Ｓ０３＋Ｓ００·Ｓ３（７）其中，Ｓ００＝ｒ４·Ｓ０，Ｓ０１＝ｒ１×Ｓ１，Ｓ０２＝ｒ２×Ｓ２，Ｓ
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间4-SPS/CU并联机构运动学分析[J]. 王庚祥,原大宁,刘宏昭,吴现卫. 农业机械学报. 2012(03)
[2]4-RUPaR并联机器人机构及其运动学分析[J]. 车林仙. 机械工程学报. 2010(03)
[3]对称4自由度3R1T并联机构雅可比分析[J]. 李秦川,胡旭东,陈巧红,武传宇. 机械工程学报. 2009(04)
[4]无耦合3自由度并联机构的设计与分析[J]. 张彦斌,吴鑫,刘宏昭,穆安乐. 农业机械学报. 2008(08)
[5]4-■并联机构的动力学性能指标分析[J]. 刘爽,郭希娟,刘彬. 机械工程学报. 2008(07)
[6]一种新型并联机器人机构的运动分析及完全各向同性设计[J]. 张彦斌,吴鑫,刘宏昭,张明洪. 中国机械工程. 2008(02)
本文编号：3390673
【文章来源】：中国机械工程. 2017,28(20)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图１３－ＣＲＣＲ／ＲＰＵ并联机构Ｆｉｇ．１３－ＣＲＣＲ／ＲＰＵｐａｒａｌｌｅｌｍｅｃｈａｎｉｓｍ
心通过共轴线的转动副Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６连接各ＣＲＣＲ支链末端的滑杆，这些滑杆位于动平台所在平面内且沿动平台半径方向分布；滑杆另一端添加滚轮，动平台上有环形滚道，沿动平台所在平面的圆周方向分布，滚轮与滚道之间滚动接触，滑杆绕动平台中心位置转动，转动副Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６在其所在平面内转动。并联机器人机构通过安装在机架上的３个直线驱动器驱动圆柱副Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３，以及１个旋转驱动器驱动转动副Ｒ７，使机构获得４－ＤＯＦ运动输出。图２３－ＣＲＣＲ／ＲＰＵ并联机器人机构模型Ｆｉｇ．２Ｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅ３－ＣＲＣＲ／ＲＰＵｐａｒａｌｌｅｌｍｅｃｈａｎｉｓｍ借助螺旋理论来分析机构的支链自由度。将定平台坐标系ｏ０ｘ０ｙ０ｚ０移动到动平台原点ｏ１得到坐标系ｏ′ｘ′ｙ′ｚ′，并在此坐标系下得到各运动支链的运动螺旋系＄ｉ（ｉ＝１，２，３，为３条ＣＲＣＲ运动支链；ｉ＝４，为ＲＰＵ运动支链）：＄ｉ１：（０，０，１，；ｂｉ１，－ａｉ１，０）＄ｉ２：（０，０，０；０，０，１）＄ｉ３：（ｅｉ１，ｆｉ１，０；－ｃｉ１ｆｉ１，ｃｉ１ｅｉ１，ａｉ１ｆｉ１－ｅｉ１ｂｉ１）＄ｉ４：（ｅｉ２，ｆｉ２，ｇｉ２；０，０，０）＄ｉ５：（０，０，０；ｅｉ２，ｆｉ２，ｇｉ２）＄ｉ６：（ｅｉ３，ｆｉ３，ｇｉ３；０，０，０）烍烌烎（１）ｉ＝１，２，３＄４１：（０，０
，γ）表示。动平台所在平面的方向由动平台坐标系ｏ１ｘ１ｙ１ｚ１中ｚ１轴在定平台坐标系ｏ０ｘ０ｙ０ｚ０下的单位矢量Ｓ０（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）来表示；３条ＣＲＣＲ支链中主动圆柱副轴线与动平台所在平面的交点坐标分别由位置矢量ｒ１、ｒ２、ｒ３表示；中心ＲＰＵ支链上虎克铰中心ｏ１坐标由矢量ｒ４表示；ａ表示动平台各ＣＲＣＲ支链上圆柱副Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３到恰约束支链ＲＰＵ上移图３３－ＣＲＣＲ／ＲＰＵ机构分析Ｆｉｇ．３Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅ３－ＣＲＣＲ／ＲＰＵｍｅｃｈａｎｉｓｍ动副Ｐ轴线间的距离。机构动力学逆解是，已知动平台输出参数，求解各驱动器输入参数，即求解各ＣＲＣＲ支链输入ｚ１、ｚ２、ｚ３，以及ＲＰＵ支链上转动副Ｒ７输入转角θ。单位矢量Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３表示３条ＣＲＣＲ支链上主动驱动圆柱副轴线；单位矢量Ｓ４表示ＲＰＵ支链主动旋转副轴线。所求各ＣＲＣＲ支链圆柱副Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３分别与动平台所在ｘ１ｏ１ｙ１平面的矢量方程［１］如下：ｒ１（Ｓ１·Ｓ０）＝Ｓ０×Ｓ０１＋Ｓ００·Ｓ１（５）ｒ２（Ｓ２·Ｓ０）＝Ｓ０×Ｓ０２＋Ｓ００·Ｓ２（６）ｒ３（Ｓ３·Ｓ０）＝Ｓ０×Ｓ０３＋Ｓ００·Ｓ３（７）其中，Ｓ００＝ｒ４·Ｓ０，Ｓ０１＝ｒ１×Ｓ１，Ｓ０２＝ｒ２×Ｓ２，Ｓ
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间4-SPS/CU并联机构运动学分析[J]. 王庚祥,原大宁,刘宏昭,吴现卫. 农业机械学报. 2012(03)
[2]4-RUPaR并联机器人机构及其运动学分析[J]. 车林仙. 机械工程学报. 2010(03)
[3]对称4自由度3R1T并联机构雅可比分析[J]. 李秦川,胡旭东,陈巧红,武传宇. 机械工程学报. 2009(04)
[4]无耦合3自由度并联机构的设计与分析[J]. 张彦斌,吴鑫,刘宏昭,穆安乐. 农业机械学报. 2008(08)
[5]4-■并联机构的动力学性能指标分析[J]. 刘爽,郭希娟,刘彬. 机械工程学报. 2008(07)
[6]一种新型并联机器人机构的运动分析及完全各向同性设计[J]. 张彦斌,吴鑫,刘宏昭,张明洪. 中国机械工程. 2008(02)
本文编号：3390673
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