一类可重构并联机构的结构设计方法与运动学分析

发布时间：2016-11-05 07:48

1引言

在得到机械结构后,需要对机构进行性能分析以验证是否满足任务要求。并联机构的运动学性能指标主要包括工作空间、奇异性和刚度等。在分析并联机构的工作空间,由于很难通过解析的方法去进行表达,目前通常采用的是数值计算的方法。其主要思想是将可能的工作空间离散化,然后对离散点逐一判断是否满足约束条件(比如关节行程约束,奇异约束等等),最后得到可行区域。由于多条并联支链间的相互约束,并联机构的工作空间,尤其是转动工作空间通常较小,这是并联机构的一个主要缺点。为増大并联机构的工作空间,一些学者在结构设计方面另辟搜径,比如在支链中采用平行四边形结构,设计较接动平台等方法,得到了一些具有较大工作空间的并联机构。并联机构雅可比矩阵建立的是输入速度和输出速度间的映射关系,其在机构的奇异位形、灵活度、刚度等性能分析中发挥了重要的作用。其建立主要有两种方法,即对闭环矢方程求导的方法和基于螺旋理论的方法。将对闭环矢方程求导后得到方程整理成矩阵的形式,可根据得到的矩阵方程将并联机构的奇异分为逆运动奇异、正运动奇异和组合奇异。而参照基于摄旋理论的雅可比矩阵建立方法,并联机构的奇异可以分为支链奇异、平台奇异和驱动奇异。支链奇异对应的是机构中某一支链中的运动螺旋系降秩;平台奇异对应的是所有支链产生的约束螺旋系降秩,因此也可称作约束奇异;驱动奇异对应的是驱动关节产生的驱动强旋系降秩。

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2可重构并联机构的结构设计方法

2.1李群理论及螺旋理论简介

由于螺旋在表示刚体运动和约束时的对偶关系,应用螺旋理论对空间机构进行构型综合及运动分析。利用螺旋理论进行并联机构构型综合的一般步骤如下:1.根据目标机构的自由度要求,写出动平台的约束螺旋系。比如要得到具有三移动两转动自由度的并联机构,动平台的约束螺旋系包含一个力偶,这个力偶限制了动平台的一个转动自由度。2.将动平台的约束螺旋分配到各个支链中。送个过程需要考虑的问题是支链的数目如何确定,支链的结构是否相同。如果目标并联机构所有支链的结构相同,那么所有支链提供的约束特性也应该相同。3.支链提供的约束确定后,则可根据螺旋理论进行支链结构的综合。首先写出约束的操旋表达式,对约束摄旋求反炼旋,得到支链的运动螺旋系。再对运动螺旋系进行线性组合,得到支链中关节运动强旋的一般表达式。再根据特殊关节对应的运动揉旋应满足的条件(比如移动关节螺三个分线是轴线上一点的位置向量叉乘方向向量的结果),得到支链中运动副应满足的关系,进而列举出所有满足要求的支链结构。

2.2可重构并联机构设计方法

上述两种理论在固定自由度并联机构的设计及分析中己发挥了重要的作用。而在可重构并联机构的研究方面,目前存在的化构构型较少:构型的提出依赖研究者的灵感,缺乏系统的方法对可重构并联机构进行结构设计;现有的一些可重构并联机构驱动配置状况不理想,需要在远离基座的关节上添加驱动,导致机构的动为学性能变差,限制了可重构并联机构的实际应用。因此,设计具有理想驱动方案的可重构并联机构是一个亟待解决的问题。

3含约束奇异特性单环闭链的可重构并联机构.............23

3.1运动分忿单环闭链..........23
3.2可重构混联支链..........29
3.3可重构并联机构..........34
3.4一种部分解耦的可重构并联机构..........38

6面向任务的可重构并联机构设计与分析

6.1任务分析及机构设计

机构研究的最终目的是为了将其投入应用,提髙社会生产力。固定自由度的并联机构己经得到了广泛的应用,比如最初出现的六自由度平台主要用于运动模拟装置的开发。此外,在一些应用领域,不需要六自由度的执行机构,一些自由度数小于六的机构就能很好的完成任务,像3T自由度的Delta机器人和3T1R自由度的H4机器人在食品包装和医药工业等领域中应用广泛;3T2民自由度的并联机构可应用于五轴并联机床的开发。相对于固定自由度的并联机构,具有可变自由度特性的可重构并联机构尚未在实际生产中得到很好的应用,而随着科技的飞速发展,一些现代化的生产过程包含多个不同自由度要求的工作阶段。比如在机器人喷涂、揽拌摩擦焊、3D打印加工中,在不同形状的表面上操作需要执行机构具有不同的自由度:在平面上操作仅需31自由度;在圆柱面上操作需要自由度,在自由曲面上操作需要3T2R自由度。可重构并联机构可根据不同的任务要求,切换至不同的操作模式,在不同的操作模式下活动驱动数目与任务自由度数目相等,具有很好的操作任务适应性、节省能量等优点,特别适合应用于具有多个工作阶段的生产领域。因此,本章针对这一背景,在前面的研究基础上,试图设计出可在不同构型下执行可重构并联机构。

6.2统一的运动学模型

根据操作任务自由度要求,分析机构的结构。由于所需的最小自由度数目为三.因此设定可重构并联机构的支链数目为王。此外,机构最多能执行3T2R五个自由度的运动,可选取一条允许3T2R运动的固定结构支链来限制动平台的运动,记为L3T2R支链。由于可重构并联机构应能分别执行3T运动和3T2R运动,可使并联化构中其余两条支链具有变结构持性:在一种结构下允许六自由度运动,而在另一种结构下允许3T2R运动,记这种支链为支链。接下来选取支链结构?支链实原上是能提供-个力偶约束的支链;从运动角度讲,运动实际上可以看成X-X型运动。学者们己对这样的支链进行了详尽的结构综合,我们可以从中选取合适的支链结构?而L6/3T2R支链可以认为是利用了支链的两种构型,且不必满足获得3R2T运动的条件。
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7结论

针对现有可重构并联机构构型少、驱动配置不理想的问题,本文提出了一种可重构并联机构结构设计的新方法。根据提出的方法,采用几种己有的具有奇异特性的闭链,并提出了一些新型闭链,进行了可重构混联支链、并联机构的设计,得到了一类新型的具有理想驱动方案的可重构并联机构,并对其中一些机构的运动特性及解错特性进行了分析。对一种平面可重构并联机构和相应的固定自由度并联机构的运动学及性能做了对比分析。针对现代加工生产中的变自由度任务要求,进行了可重构并联机构的设计、分析和实验。本文的创新性主要体现在以下几点:1.提出了一种可重构并联机构结构设计的新方法,即利用闭链的奇异特性,配合常规固定自由度串联支链,在保证一定的装配条件下,完成可重构混联支链、并联机构的设计。通过预设混联支链的运动特性,确定了固定自由度串联支链的一种可能运动形式一两个转动运动和两个移动运动,并通过李群理论分析得到了这样的支链结构。

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参考文献（略）

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本文编号：164852