少自由度并联机构真实运动特性分析

论文摘要

少自由度并联机构由于本身的特点在实际中有很广泛的应用。特别是具有完全相同的分支,结构对称具有各向同性的少自由度并联机构更具有应用潜力。但由于少自由度并联机构本身的特点,其对于装配和加工具有很高的要求,多年来具有相同分支的少自由度并联机构的装配误差问题没有得到很好的解决,突出表现在到目前为止还没有人对少自由度并联机构约束误差进行研究,缺乏全面的约束误差分析理论,致使少自由度并联机构真实运动特性分析成为目前国际学术界的一个难点。本文主要研究对称少自由度并联机构的误差问题,旨在建立全面有效的误差分析理论,分析少自由度并联机构动平台的真实运动特性。主要研究内容包括以下几个方面:引入螺旋理论,分析了公共约束,在此基础上概括了普遍适用于少自由度并联机构自由度计算公式;给出了具有相同分支的少自由度并联机构的分支以及机构的输出矩阵以及并联机构可能存在的寄生运动,并对寄生运动进行了优化。根据约束螺旋在空间不同几何条件下的线性相关性对约束螺旋系进行分类,并通过反螺旋定理获取每种约束螺旋系所约束的运动。给出了机器人正常装配时,运动副轴线之间的几何关系,动平台实现预定运动各分支必须满足的几何条件。少自由度并联机器人机构之间的特殊性质,造成其对于装配、安装等因素比较敏感。当机器人各分支由于加工、安装或装配的原因造成各分支内部和分支之间存在误差时,动平台的运动能力将发生变化。装配误差分为两种形式:不平行和不相交。研究了存在这两种误差的情况下,机构的各运动副轴线与动平台之间的关系,存在误差时机构的动平台产生的寄生运动形式,以及机器人的雅可比矩阵的变化。在上面分析的基础上,形成了一套较完整的对于少自由度并联机构的约束误差进行分析的理论体系。给出了具有相同分支的少自由度机构运动副存在的间隙,分析了这些间隙对应约束方程的表达形式。利用螺旋分析了并联机构动平台的运动能力与运动副间隙之间的关系。给出了最大间隙的表达形式。本文利用螺旋理论分析了机构存在误差时,机构各分支对于动平台提供的约束螺旋的主螺旋的表达形式。分别建立了机构驱动关节和非驱动关节存在误差时,具有相同分支的少自由度并联机构动平台的运动学表达形式。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 少自由度并联机器人研究现状
• 1.2 机器人误差研究现状
• 1.3 影响机器人误差的主要原因
• 1.3.1 静态因素
• 1.3.2 动态因素
• 1.4 本章研究的意义和内容
• 1.4.1 课题的研究意义
• 1.4.2 课题研究的来源
• 1.4.3 课题研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 少自由度并联机构及运动输出方程
• 2.1 机构的自由度
• 2.2 少自由度并联机构的运动支链
• 2.3 少自由度并联机构的运动输出方程
• 2.3.1 并联机构的运动输出表达形式
• 2.3.2 少自由度并联机构的寄生运动
• 2.4 本章小结
• 3 少自由度并联机器人正常工作条件
• 3.1 分支内部运动副轴线之间的关系
• 3.1.1 力线矢约束
• 3.1.2 力偶约束
• 3.2 少自由度并联机构分支之间的关系
• 3.2.1 力偶约束
• 3.2.2 力线矢约束
• 3.3 小结
• 4 少自由度并联机构存在的不平行误差
• 4.1 少自由度并联机构的不平行误差
• 4.2 分支对于动平台的约束
• 4.2.1 正常装配时分支对于动平台的约束
• 4.2.2 存在不平行误差时的约束
• 4.3 少自由度并联机构动平台的运动
• 4.3.1 正常装配时分支对于动平台的约束
• 4.3.2 少自由度并联机构动平台的寄生运动
• 4.4 少自由度并联机构的雅可比矩阵
• 4.4.1 正常装配时机构的雅可比矩阵
• 4.4.2 存在约束误差时机构的雅可比矩阵
• 4.5 本章小结
• 5 运动副轴线之间的不相交误差
• 5.1 运动副轴线不相交误差的主要形式
• 5.2 各分支对于动平台的约束
• 5.2.1 正常装配时各分支对于动平台的约束
• 5.2.2 存在约束误差时的约束形式
• 5.3 少自由度并联机构动平台的运动形式
• 5.3.1 分支之间的交点不重合
• 5.3.2 分支内部的交点不重合
• 5.4 少自由度并联机构动平台的雅可比矩阵
• 5.4.1 正常装配时的雅可比矩阵
• 5.4.2 存在约束误差时的雅可比矩阵
• 5.5 本章小结
• 6 运动副间隙对于并联机构运动能力的影响
• 6.1 轴线径向间隙形式
• 6.2 少自由度并联机构运动副间隙模型
• 6.3 机构的运动副间隙分析模型
• 6.4 本章小结
• 7 少自由度并联机构的真实运动特性分析
• 7.1 少自由度并联机构的主螺旋分析
• 7.2 并联机构的运动模型
• 7.2.1 驱动关节误差
• 7.2.2 机构参数的误差模型
• 7.3 机构的真实运动分析
• 7.4 本章小结
• 8 结论和展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 附录A
• 1 基本概念
• 2 基本计算
• 3 基本定理
• 4 反螺旋和被约束的运动
• 5 旋量的导数
• 索引
• 作者简历
• 学位论文数据集