可重构球面并联机构的构型设计与工作空间求解方法

摘要

可重构并联机构因其具有良好的适应性以及结构和功能的可变特性成为并联机构领域的研究热点之一。球面并联机构作为并联机构的一种特殊类型，不仅具备了并联机构本身承载能力大、结构刚度大、结构对称以及运动惯性小等特点，而且末端始终在以所有转动副轴线的汇交点为球心的球面上运动，工作空间为球面的一部分，具有空间三维转动的运动特点，可作为卫星天线的方位跟踪系统，也可作为仿生机构的腕关节、肩关节、腰关节、球面雕刻机以及各类航空器的地面自动跟踪设备的结构方案。
　　本文以3-RPR和3-RRP球面并联机构为原型机构，3-RPRP球面并联机构为研究对象，研究可重构球面并联机构构型的可重构方法、运动学性能及其工作空间求解方法。全文的主要工作如下:
　　首先，集成3-RPR和3-RRP两种原型球面并联机构，使得每条支链上均有四个运动副。通过部分运动副的自锁完成不同构型之间的转换。根据自锁的运动副数目及其位置进行排列组合，集成后的球面并联机构的运动支链在不进行拆除替换的情况下可重构出10种不同自由度以及不同构型的运动支链，其中包括两种原型机构的运动支链，实现了构型之间的无拆解重构。以驱动的安装位置作为可重构3-RPRP球面并联机构的设计依据，确定RPRP型支链中驱动副以及自锁运动副的位置。根据支链的运动副类型和组合顺序，对可重构3-RPRP球面并联机构的结构进行了设计。
　　其次，基于螺旋理论建立了可重构3-RPRP球面并联机构的各个构态的运动螺旋系以及反螺旋系，求出了可重构3-RPRP球面并联机构在不同构态下的公共约束数和运动特性，对机构的自由度进行了求解。以机构的几何关系为约束条件，用旋转矩阵建立了机构的运动学位置封闭正解数学模型。
　　然后，提出了一种用于求解可重构球面并联机构可达工作空间的三维动态求解法。运用该求解方法获得了3-RPRP球面并联机构的可达工作空间。基于机构的位置正解，运用Matlab软件编程求解也获得了3-RPRP球面并联机构的可达工作空间。两种求解方法的结果进行了对比，其可达工作空间面积的误差率为0.09％，验证了提出的三维动态求解法的正确性。对对称型3-RPR球面并联机构的尺度进行了综合。
　　最后，用SolidWorks软件建立了可重构3-RPRP球面并联机构的虚拟样机，根据目标轨迹进行了运动学和动力学的模拟仿真，分析了机构输入与输出之间的耦合关系。
　　本文设计的可重构球面并联机构实现了构型之间的快速重构，扩大了机构的应用范围以及增强了机构对环境的适应能力。提出的工作空间的三维动态求解法不仅准确率高而且可应用于其他多种类型的并联机构。

目录

声明

摘要

1．1．1 课题的研究背景

1．1．2 本课题研究的价值和意义

1．2 可重构并联机构

1．3 球面并联机构研究现状与分析

1．4 并联机构的运动学研究现状

1．5 并联机构的工作空间求解方法

1．6 主要研究内容

1．7 本章小结

2．1 引言

2．2 并联机构的基本组成

2．3 可重构球面并联机构的原型机构

2．3．2 原型机构Ⅱ 3-RRP球面并联机构

2．4 可重构球面并联机构的构成原理与重构

2．4．1 可重构球面并联机构的构成原理

2．4．2 可重构球面并联机构的重构

2．5 可重构球面并联机构的结构设计

2．5．1 动平台的结构设计

2．5．2 静平台的结构设计

2．5．3 运动支链的结构设计

2．5．4 机构的整体结构

2．6 本章小结

3．1 引言

3．2 可重构球面并联机构的运动学建模

3．3 可重构球面并联机构的自由度计算

3．4 可重构球面并联机构的运动学封闭正解

3．4．1 机构空间位置描述和变换

3．4．2 机构的运动学封闭正解

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 球面并联机构的工作空间概念

4．3 基于Matlab和封闭正解的求解方法

4．4 并联机构工作空间的三维动态求解法

4．4．1 工作空间的三维动态求解法

4．4．2 三维动态方法求解3-RPR球面并联机构工作空间

4．4．3 三维动态方法求解3-SPR并联机构的工作空间

4．5 可重构三自由度球面并联机构工作空间求解

4．5．1 对称型三自由度球面并联机构的工作空间

4．5．2 非对称型三自由度球面并联机构的工作空间

4．6 可重构两自由度球面并联机构工作空间求解

4．7 球面并联机构工作空间的结构参数优化

4．8 本章小结

5．1 引言

5．2 可重构球面并联机构虚拟样机的建立

5．3 非参数化轨迹的设计

5．4 机构的运动学逆解仿真分析

5．5 机构的运动学正解仿真分析

5．6 机构的动力学仿真分析

5．7 机构的解耦性仿真分析

5．8 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢