多转动自由度并联机构的结构创新设计与应用研究

发布时间：2016-10-23 08:24

由于转动运动跟转动轴线的方向和位置都有关系,多个转动自由度就具有多个转动轴线,若这些转动轴线交于一点,那么这一点就称之为转动中心。对于存在转动中也的具有多个转动自由度的并联机构来讲,其转动中也处有可能是一个实际的运动副与动平台等构件相连接,但也有可能在其转动中也处不存在任何实际的运动副。这类没有实际运动副存在的转动中也可称之为虚拟运动中也(Virtuacenterofmotion,简称为VCM),具有YCM特性的并联机构,可称之为VCM并联机构。虽然对于可转动的并联机构,虚拟转动中心是普遍存在的,但其虚拟转动中也、大都具有瞬时特性。若并联机构存在一个相对固定的VCM,则会带来相当多的好处。例如,由于实际转动中心的空缺,为安放复杂器件、系统、乃至患者的肢体提供了便利,这在微创外科手术、超声波检测成像、力反馈装置、自动化装配作业、康复训练及机器人越障等领域有着重要的应用。而设计这类VCM并联机构也是当前机构学领域的热点之一。因此,接下来,将针对以上两个方面对具有多个转动自由度的并联机构进行深入探讨。

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2含接动平台的并联机构的构型综合方法

2.1相关理论基础

接动平台是该类型并联机构的关键部分,由于具体的应用要求不一样,其结构设计就会有很大的差别。因此,较接动平台的设计具有相当的个性化,没有一个统一的模式。值得说明的是,不同的较接动平就代表不同的拓扑构型,设计较接动平台在某种程度上也可以说是设计动平台的拓扑构型。对于如图2-2所示的拓扑构型,该步驟需要确定的是构件TMP、5和C之间的连接方式。当接动平台的结构确定后,需要确定接动平台的哪些部分是需要连接支链的,然后再确定这些部分可能的位移子群/子流形。确定的原则是,各部分的位移子群/子流形通过相关运算的结果要保证构件TMP具有给定的运动输出。对于如图2-2所示的拓扑构型,该步骤需要确定的所表示的位移子群/子流形。

2.2—种并联机构的构型综合方法

基于旋转呈理论或者位移李群理论的构型综合方法,己经在综合具有类似于并联机构上驭得了很多成果。然而,并联机构还存在有其它的拓扑构型,如H4机构,其支链与真正的动平台(或末端执行器)并没直接相连,两者之间还存在着其它的运动副。H4的动平台也称为较接动平台,或称为具有可变结构的动平台。引言中提到过,H4机构正是利用接动平台获得了大转角转动能为,这吸引了许多学者的关注,如郭盛等利用旋量理论综合了具有与H4类似的较接动平台的1R3T并联机构。本节将给出含有较接动平台的并联机构的一般拓扑布局,并探讨相应的构型综合方法。在此之前,为例,先比较旋量理论和位楼李群理论两种方法的差异。

3具有大转角转动能力的2R2T与2R3T并联机构......43

3.1—种新型较接动平台的设计......43
3.22R2T并联化构构型设计......46
3.32R3T并联机构构型设计......51
3.4运动学及相关性能分析......55
4具有大转角转动能力的3R2T与3R3T并联机构......69
4.1新型较接动平台的设计......69
4.2含第一类动平台的并联机构构型设计......72
5并联VCM机构的设计与分析......109
5.1几种并联VCM机构的结构设计......109
5.2应用于康复领域的并联VCM机构的结构设计......113
5.3运动学及相关性能分析.........121

6并联VCM机构的尺度综合

6.1多目标优化相关问题

并联机器人的尺度综合是指在一定的约束条件下,确保机器人具有良好的运动学及动力学性能为目标,对结构参数进行优化设计。由于并联机器人具有较复杂的结构和较多的几何参数,以及在结构设计时通常涉及到多个性能指标,并且性能指标与几何参数呈现出髙度的非线性关系,因此尺度综合一直是并联机器人设计领域的难点。本章将介绍如何利用基于Pareto的多目标优化方法对某一踩关节康复并联VCM机构进行尺度综合。为此,首先介绍了多目标优化和与Pareto相关的基本概念。其后,根据己有的差分进化算法,提出了一种改进的可用于多目标优化的差分进化算法。利用改进的优化算法及提出的关于该并联VCM机构的多目标优化模型,进行了数值实验。利用优化设计所得到的一组参数,建造了踩关节康复机器人的样机。

6.2差分进化算法

拥挤距离指的是某前端中的某个体与该前端中其他个体之间的距离,用来表征个体之间的拥挤程度。拥挤距离一般在目标空间进斤计算,由于存在多个目标函数,需要对每一个目标进行一次拥挤距离的计算,再将这些拥挤距离相加就可得到变量个体的拥挤距离。在对某个目标进行拥挤距离计算时,对于该目标两端(即目标函数的最大值和最小值)所对应的个体的拥挤距离可设为最大,其余个体的拥挤距离可由其相邻的两个个体在该目标函数上的距离算出。因此,拥挤距离的值越大,个体间就越不拥挤。
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7结论

针对具有多个转动自由度的并联机构在实际应用中所面临的一些问题,本文从两个方面研究了多转动自由度并联机构的构型设计、分析与应用。一方面针对动平台转动时易与支链发生干涉,导致并联机构的转动角度普遍偏小的问题,提出通过设计新型的较接动平台的方法来提高并联机构的转动能力。据此,本文分别综合设计了一类含有螺旋副且可进行两自由度或三自由度大转角转动的并联机构、一类可应用于并联机床或多轴3D打印等应用的2R3T和2R2T并联化构及数个可应用于复杂装配或拾取等操作任务的3R3T和3R2T并联机构。另一方面针对在辅助超声波成像或踩关节康复训练等医疗领域,对具有多个转动自由度的并联机构还存在特殊的需求,即要求具有虚拟转动中也,设计了不同类型且可满足相关应用要求的三转动自由度并联VCM机构。其中一个可应用于裸关节康复训练的并联VCM机构为例,探讨了该类并联VCM机构的尺度综合问题，，以及通过多目标优化算法求解的具体实施步骤,并根据优化设计获得的设计参数,建造了踩关节康复训练样机,进行.了初步实验。

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参考文献（略）

本文编号：150145