少自由度并联机构运动学及五自由度并联机构的相关理论

摘要

少自由度并联机构近年来成为国际机构学和机器人领域研究的热点。它的运动学研究也随之受到越来越多的关注。在机构运动学分析中，Jacobian矩阵扮演着一个不可或缺的角色。然而对于少自由度并联机构，目前却没有一种统一并实用的建立其Jacobian矩阵的方法。为此，本文基于6自由度并联机构的影响系数法，针对一类少自由度并联机构(机构自由度等于支链自由度数)，给出建立其N×N型Jacobian矩阵和N×N×N型Hessian矩阵的方法。同时通过引入仿射坐标系，将该方法发展适用于全部14类少自由度并联机构。利用N×N型Jacobian矩阵找出机构N个输入速度元素与N个独立输出速度元素间的映射关系。并利用坐标变换，为N自由度并联机构(N<6)给出一种建立6×N型Jacobian矩阵的方法。 在现有的少自由度并联机构中，结构对称的5自由度并联机构历史较短，且大部分现有机型的自由度为三转两移。在黄真教授等人于2002年利用基于约束螺旋的型综合理论认清这类机构的约束关系并综合出机构实例后，人们才意识到这类机构的确存在。然而，仅仅意识到事物的存在并不代表认清它的本质。为了加深对该类机构本质的认识并探索这类机型的实用性，本文首先在现存的70余种机型中找出11种机型，并提出7种新机型。这18种机型不仅具有完全对称的结构形式，而且可以采用机架副或与机架相邻的移动副作为驱动副。完全对称的结构形式有助于机构获得近似各向同性的运动学特性。机架副驱动有助于减轻机构的额外负载，提高机构的运行速度。移动副驱动则有助于提高机构的承载能力和加工精度。此外，本文还首次综合出支链结构及安装条件对称的三移两转的并联机构。 运动学是机构分析的重要组成部分。而谈到运动学又不可避免地涉及到机构的奇异位型。由于约束关系的特殊性，5自由度并联机构施加在运动平台上有效约束一般只能为一。因而，这类机型的奇异可以分为两类，即支链内部发生类似于串联机构的奇异以及锁住驱动副后施加在运动平台上的约束螺旋发生线性相关的奇异。本文在前述的18种机型中，找出在奇异分析中具有代表性的6种机型。对它们的这两类奇异都做了详细的阐述和分析。 理论上，完全对称的三转两移5自由度并联机构具有一般性的应用。为了研究这类机型的实用性，本文作者研制了一台5-RRR(RR)并联样机，并实现其控制系统。据本文作者了解，这台样机应是世界上首台该类机构的样机。这台样机的出现不仅为黄真教授等人提出基于约束螺旋的型综合理论的正确性提供了有力的佐证，为研究这类机构的运动特性等提供了依据，而且对该类机型的实用化进行了有益的探索。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1并联机构的起源

1.2并联机器人的应用

1.2.1运动模拟器

1.2.2娱乐装置

1.2.3并联机床

1.2.4微操作机器人

1.2.5力传感器

1.3并联机构学相关理论研究的背景

1.3.1运动学

1.3.2奇异理论

1.3.3型综合

1.4论文选题的意义及主要研究内容

第2章少自由度并联机构Jacobian和Hessian矩阵

2.1引言

2.2预备知识

2.2.1螺旋理论

2.2.2特殊螺旋互逆的几何条件

2.2.3运动影响系数法

2.3一类少自由度并联机构速度、加速度正反解的方法

2.3.1速度分析

2.3.2加速度分析

2.3.3机构样例3-R(CRR)

2.3.4机构样例3-(RRR)(RR)

2.4少自由度并联机构的6×N型Jacobian矩阵

2.4.1瞬时参考坐标系F*的选取

2.4.2 N自由度并联机构的6×N型Jacobian矩阵

2.4.3机构样例4-RPUR

2.5本章小结

第3章实用型对称五自由度并联机构的型综合

3.1引言

3.2基于约束螺旋的型综合法

3.318种完全对称3R2T 5-DoF并联机型

3.4并联机构5-RRR(RR)

3.5并联机构5-(RRR)(RR)

3.6并联机构5-(RRR)RpR

3.7结构及安装条件对称的3T2R五自由度并联机构

3.7.1约束分析

3.7.2机构简图

3.7.3输入选择

3.8本章小结

第4章3R2T完全对称五自由度并联机构的奇异分析

4.1引言

4.2六种完全对称的5-DoF并联实用机型

4.3 Fang和Tsai的奇异分类

4.4支链奇异

4.4.1 RRR(RR)

4.4.2 PRR(RR)

4.4.3(RRR)RR

4.4.4(RRR)(RR)

4.4.5(RPR)RR

4.4.6 RPR(RR)

4.5驱动奇异

4.5.1 RR(RR)

4.5.2(RR)(RR)

4.6机构样例5-RRR(RR)

4.6.15-RRR(RR)的第一类支链奇异

4.6.25-RRR(RR)的第二类支链奇异

4.6.35-RRR(RR)的第一类驱动奇异

4.6.4 5-RRR(RR)的第二类驱动奇异

4.6.55-RRR(RR)的第三类驱动奇异

4.7本章小结

第5章5-RRR(RR)样机

5.1引言

5.25-RRR(RR)样机的理论设计

5.2.1位置正解

5.2.2位置反解模型

5.3样机的设计与实现

5.3.1样机结构设计

5.3.2样机的位置反解

5.3.3奇异分析

5.4控制系统的实现

5.4.1步进电机及驱动器的参数

5.4.2 Trio Euro205X运动控制卡

5.4.3样机运行

5.4.4改进意见

5.5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

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