少自由度无奇异完全各向同性并联机构型综合理论研究

论文摘要

少自由度并联机构除了具有一般6自由度并联机构的优点外,还具有结构简单、加工制造和控制成本较低的特点。因此,少自由度并联机构已成为近十年来国际机构学和机器人领域研究的热点之一。对于一般并联机构,其缺点之一就是运动学耦合性强,使得机构在控制和轨迹规划等方面较为困难,这也是虽然已设计出许多新型并联机构,但真正得到实际应用不多的因素之一。所以如何设计出解耦、无耦合、甚至完全各向同性的并联机构已成为目前诸多学者研究的课题。本文的主要工作是研究少自由度无奇异完全各向同性并联机构的型综合问题。主要研究工作包括以下几个方面：根据螺旋理论给出并联机构输入-输出速度关系的表达式,提出了无奇异完全各向同性并联机构型综合的基本理论框架,为后面的机构型综合奠定了理论基础。基于互易螺旋理论提出了少自由度无奇异完全各向同性并联机构型综合的系统方法,并利用该方法对无奇异完全各向同性空间移动并联机构、2T1R型空间并联机构和2T1R型平面并联机构进行系统型综合,并得到多种新型机构。型综合的基本过程为：首先根据完全各向同性并联机构正、逆雅可比矩阵均为常对角阵的特点,求出机构各分支的驱动螺旋和主动螺旋的类型；再利用驱动螺旋与同一支路中所有非主动螺旋互易积等于零这一特性,确定出非主动运动副的类型及其轴线在空间的配置方向；然后按照分支连接度的不同综合出机构分支运动链；最后利用所综合出的分支运动链将动、定平台联接起来就可得到预期的并联机构。此外,这种型综合方法能够从理论上证明此类机构主动副的选取依据。根据混联机构的概念,应用本文所综合出的完全各向同性2T1R型平面并联机构与一个转动副串联综合出完全各向同性2T2R型4自由度混联机构。通过对完全各向同性混联机构运动学的分析,提出无耦合2T2R型并联机构型综合的系统方法,然后利用运动副替换实现了无奇异完全各向同性2T2R型并联机构的型综合,理论上可综合出543025种新型无耦合和完全各向同性2T2R型并联机构。基于线性变换理论对无奇异完全各向同性2T1R型空间并联机构进行了型综合。利用这种方法不仅可以综合出完全各向同性并联机构,而且还可以得到无耦合并联机构。并与利用互易螺旋理论综合法所综合出的无奇异完全各向同性2T1R型空间并联机构进行比较分析。对所综合出的一种新型3-CRP移动并联机构进行了分析。基于螺旋理论对机构自由度和主动副的选取进行了分析,讨论了分别以三个圆柱副中的转动和线性移动作为主动输入情况下的机构运动学正、逆解及其性能。当以转动输入为主驱动时,机构的雅可比矩阵为3×3阶对角阵,因此机构为无耦合并联机构。当以线性移动输入为主驱动时,机构雅可比矩阵为3×3阶单位阵,其条件数恒等于1,因而此并联机构为完全各相同性机构。进一步验证了本文所提出的型综合方法的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 并联机构的特点和分类
• 1.2.1 并联机构的特点
• 1.2.2 并联机构的分类
• 1.3 并联机构的应用
• 1.3.1 运动模拟器
• 1.3.2 并联机床
• 1.3.3 微操作机器人
• 1.3.4 机器人力传感器
• 1.4 并联机构型综合方法的研究现状
• 1.4.1 基于自由度计算公式的列举法
• 1.4.2 基于给定末端运动的型综合法
• 1.4.3 基于位移李群理论综合法
• 1.4.4 基于螺旋理论的型综合法
• 1.5 完全各向同性并联机构的研究现状
• 1.6 并联机构的其他相关理论研究现状
• 1.6.1 运动学分析
• 1.6.2 性能分析
• 1.7 论文选题意义和研究内容
• 2 无奇异完全各向同性并联机构型综合基本理论
• 2.1 概述
• 2.2 螺旋理论
• 2.2.1 螺旋
• 2.2.2 互易螺旋
• 2.2.3 驱动螺旋
• 2.2.4 螺旋的相关性
• 2.3 机构运动输入-输出关系的表示
• 2.4 完全各向同性并联机构型综合的基本原理
• 2.5 本章小结
• 3 无奇异完全各向同性移动并联机构型综合
• 3.1 概述
• 3.2 并联机构运动输入-输出关系的表示
• 3.3 完全各向同性机构支路的型综合
• 3.3.1 第一条支路的型综合
• 3.3.2 第二条支路的型综合
• 3.3.3 第三条支路的型综合
• 3.4 无奇异完全各向同性纯移动并联机构的型综合
• 3.5 本章小结
• 4 无奇异完全各向同性2T1R型空间并联机构型综合
• 4.1 概述
• 4.2 2T1R型空间并联机构运动输入-输出关系的表示
• 4.3 完全各向同性2T1R型空间并联机构分支运动链的型综合
• 4.3.1 第一条分支运动链的型综合
• 4.3.2 第二条分支运动链型综合
• 4.3.3 第三条分支运动链的型综合
• 4.4 完全各向同性2T1R型并联机构的型综合
• 4.5 本章小结
• 5 无奇异完全各向同性2T1R型平面并联机构型综合
• 5.1 概述
• 5.2 2T1R型平面并联机构运动输入-输出关系的表示
• 5.3 完全各向同性2T1R型平面并联机构分支运动链的型综合
• 5.3.1 第一条分支运动链的型综合
• 5.3.2 第二条分支运动链型综合
• 5.3.3 第三条分支运动链的型综合
• 5.4 全各向同性2T1R型完并联机构的型综合
• 5.5 本章小结
• 6 无奇异完全各向同性2T2R型并联机构型综合
• 6.1 概述
• 6.2 2T2R型并联机构运动输入-输出关系的表示
• 6.3 全各向同性2T2R型混联机构的型综合
• 6.3.1 混联机构的概念
• 6.3.2 完全各向同性2T2R型混联机构型综合
• 6.4 混联机构动平台上任意点的位置分析
• 6.5 第四条分支运动链的型综合
• 6.6 无耦合2T2R型并联机构型综合
• 6.7 完全各向同性2T2R型并联机构型综合
• 6.8 本章小结
• 7 基于线性变换理论的完全各向同性2T1R型空间并联机构型综合
• 7.1 概述
• 7.2 并联机构雅可比矩阵和各向同性描述
• 7.2.1 机构雅可比矩阵
• 7.2.2 机构的各向同性
• 7.3 线性变换理论
• 7.4 基于线性变换理论的并联机构分支运动链型综合
• 7.4.1 分支运动链的构造原则
• 7.4.2 分支运动链的型综合
• 7.5 无耦合并联机构的结构综合
• 7.6 完全各向同性并联机构的结构综合
• 7.7 两种综合方法的比较
• 7.8 本章小结
• 8 3-CRP移动并联机构的设计和分析
• 8.1 概述
• 8.2 基于螺旋理论的机构自由度分析和主动副选取
• 8.2.1 机构自由度分析
• 8.2.2 机构主动副的选取
• 8.3 以转动输入为主驱动时的机构运动学及性能分析
• 8.3.1 机构位置正解
• 8.3.2 机构位置逆解
• 8.3.3 机构速度分析
• 8.3.4 机构加速度分析
• 8.3.5 机构奇异性分析及奇异位形避免
• 8.3.6 机构工作空间分析
• 8.3.7 机构灵巧性分析
• 8.4 线性移动作为主驱动时的机构运动分析
• 8.4.1 机构运动学正解和逆解
• 8.4.2 机构的速度和加速度分析
• 8.4.3 机构奇异性、灵巧性和工作空间分析
• 8.5 机构应用实例
• 8.6 本章小结
• 9 全文工作总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果