三自由度3-RRP球面并联机构的运动性能研究

摘要

球面并联机构作为一种特殊的并联机构,不仅具有并联机构所具有的特性,而且在一定程度上弥补了并联机构难以实现的特性。球面并联机构结构简单、不易发生干涉、工作空间大、运动学计算简单且易于控制等,广泛应用于医疗、航天以及机器人等领域。
　　本文首先基于螺旋理论对空间并联机构的构型进行了综合,分别得出三约束、双约束、单约束以及零约束运动链的型综合,在此基础上,通过3-RRR球面并联机构验证了空间并联机构型综合方法的正确性,得到了3-RRP球面并联机构的构型;然后通过对3-RRP球面并联机构的描述以及对机构自由度的分析,引入旋转矩阵以及等效轴角间的关系,建立机构的逆运动学模型,对3-RRP机构正运动学和逆运动学进行了分析,并且得到了驱动构件的速度、加速度及雅可比矩阵。
　　其次,在运动学研究的基础上,对3-RRP球面并联机构的运动性能进行了研究。通过雅可比矩阵对机构奇异位形进行了研究,并得到了三种可能的奇异位形;基于虚功原理得出机构在平衡状态下作用在末端执行器的外力和驱动力矩的关系;借助条件数的概念,得出机构完全各向同性条件,即机构的完全对称性;通过搜索法得到机构在不同姿态角下的工作空间和在各平面的投影,分析了对工作空间的影响因素。机构的运动性能研究对机构的尺寸综合及性能优化有很重要的影响。
　　然后,在功能原理的基础上,利用牛顿-欧拉法建立机构的动力学模型,推出了机构的动力学方程,并推出了影响驱动件驱动力矩的因素。最后,对机构进行了仿真研究。采用UG/ADAMS软件首先验证了机构末端执行器参考点的位移、角速度和角加速度的变化规律,进一步分析末端执行器参考点的中心分别在施加力和不施加力情况下以及质量的变化对驱动功率和驱动力矩的变化规律的影响。
　　本文通过对3-RRP球面并联机构的理论和仿真研究,为其它类型球面并联机构的性能研究和开发应用奠定了一定的理论和实践基础。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外并联机构的研究现状

1.3 国内外球面并联机构的研究现状与分析

1.4 本文主要研究内容及章节安排

1.5 本章小结

2 球面并联机构构型综合

2.1 并联机构的构型综合

2.2 运动链的型综合

2.3 型综合验证

2.4 本章小结

3 3-RRP球面并联机构的运动学分析

3.1 机构运动学分析的数学方法

3.2 3-RRP球面并联机构的描述和自由度的分析

3.3 3-RRP球面并联机构的运动学分析

3.4 3-RRP球面并联机构速度、加速度分析

3.5 本章小结

4 3-RRP球面并联机构的运动性能研究

4.1 奇异性分析

4.2 静力分析

4.3 各向同性设计

4.4 影响机构工作空间因素分析及工作空间的确定

4.5 本章小结

5 3-RRP球面并联机构的动力学分析

5.1 动力学分析的数学方法

5.2 3-RRP球面并联机构的运动方程

5.3 动力学模型的建立

5.4 本章小结

6 3-RRP球面并联机构的仿真研究

6.1 仿真技术分析

6.2 3-RRP球面并联机构的运动学仿真

6.3 3-RRP球面并联机构的动力学仿真

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 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