几种新型并联与混联机构的运动/静力学及刚度研究

摘要

并联机构和串联机构是机器人的两种重要类型，基于以上构型的机器人在工程实际中得到了广泛的应用。与此同时，随着机器人应用领域的日益扩大，新型并/混联机构以其自身优良特性引起了学术界和工业界的关注，新型机构不断涌现。然而，针对新型并/混联机构的理论研究相对滞后。本文针对几种新型并/混联机构开展运动学、静力学、刚度及工作空间研究，旨在为并/混联机构的研究提供思路。本文主要工作如下：
　　(1)提出一种以3-RPS/3-SPR型并联机构作为运动载体的新型并联机构，建立了机构的运动学模型，得到腿部机构相对于参考坐标系的位置及速度矢量。进一步运用虚功原理建立了机构的静力学模型，推导腿部驱动力与并联机构的驱动力/约束力之间的映射关系。
　　(2)针对一种具有复合驱动分支的3腿5自由度2SPS+PRRPR型并联机构进行了位置分析及速度分析，推导机构的雅可比矩阵。在运动学研究的基础上，对各驱动分支进行弹性变形分析，求解分支柔度矩阵。进一步运用虚功原理求解整机的刚度矩阵。同时，构建有限元模型分析机构各构件变形，评估复合驱动分支在改善机构承载能力方面的作用。
　　(3)提出一种由k个3-RPS型并联机构串联而成的k(3-RPS)型混联机构，对其进行位置分析，进一步各驱动分支和末端平台的速度及加速度之间的映射关系。分析驱动分支弹性变形与末端变形之间的映射关系，求解 k(3-RPS)型混联机构的刚度矩阵。构建2(3-RPS)和3(3-RPS)型混联机构有限元分析模型，并将其仿真结果与理论模型进行比较。基于三维设计软件构建2(3-RPS)型混联机构的正解模拟机构，采用CAD变量几何法求解2(3-RPS)的工作空间。
　　(4)提出一种新型的PS+RPS+SPS型并联机构，将其作为本体机构串联而成k(PS+RPS+SPS)型混联机构。对 k(PS+RPS+SPS)型混联机构进行运动学及静力学建模，得到机构的刚度矩阵。以5(PS+RPS+SPS)型混联机构为例进行数值分析，并利用有限元分析软件对其进行受力变形模拟，将仿真结果与理论结果进行比较，验证理论模型的正确性。
　　(5)针对中间平台采用复合球副的(3-RPS)+(3-SPR)型混联机构，进行运动学分析，得到机构速度及加速度映射关系。进一步考虑机构中存在的约束反力，对机构进行了静力学建模，得到刚度矩阵。采用CAD变量几何法求解(3-RPS)+(3-SPR)型混联机构的工作空间，并将其与2(3-RPS)型混联机构的工作空间进行了分析比较。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 并/混联机构概况

1.3 并/混联机构研究进展

1.4 串并混联机构研究现状

1.5 论文的主要研究内容

第2章基于3-RPS/3-SPR新型并联机构运动学及静力学

2.1 引言

2.2 结构组成及工作原理

2.3 机构的运动学分析

2.4 机构的静力学分析

2.5 数值算例及分析

2.6可调式并联机构实验平台设计

2.7 本章小结

第3章 2SPS+PRRPR型并联机构运动/静力学及刚度

3.1 引言

3.2 机构组成

3.3 位置分析

3.4 速度及静力学分析

3.5 分支柔度矩阵及驱动变形分析

3.6机构刚度矩阵

3.7 数值算例及分析

3.8 有限元模型及仿真结果

3.9 本章小结

第4章 k(3-RPS)型混联机构运动/静力学及刚度

4.1 引言

4.2 k(3-RPS)型混联机构设计

4.3 k(3-RPS)型混联机构位置分析

4.4 k(3-RPS)型混联机构速度及加速度分析

4.5 k(3-RPS)型混联机构静刚度分析

4.6 数值算例及分析

4.7 有限元模型及仿真结果

4.8 2(3-RPS)型混联机构工作空间的构建

4.9 本章小结

第5章 k(PS+RPS+SPS)型混联机构运动/静力学及刚度

5.1 引言

5.2 PS+RPS+SPS型并联机构运动学分析

5.3 PS+RPS+SPS型并联机构静刚度分析

5.4 k(PS+RPS+SPS)型混联机构运动/静力学及刚度分析

5.5 k(PS+RPS+SPS)型混联机构静刚度分析

5.6 数值算例及分析

5.7 有限元模型及仿真结果

5.8 本章小结

第6章 (3-RPS)+(3-SPR)型混联机构运动/静力学及刚度

6.1引言

6.2 (3-RPS)+(3-SPR)型混联机构运动学分析

6.3 (3-RPS)+(3-SPR)型混联机构静刚度分析

6.4 数值算例及分析

6.5 (3-RPS)+(3-SPR)型混联机构工作空间求解

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢