一种串并混联机械臂结构设计及运动学研究

摘要

串并混联机械臂不仅克服了串联机械手臂刚度小、承载能力不足、末端执行机构误差累积大、运动方式单一等缺点，也克服了并联机构工作空间小的问题，使机械臂系统在提高刚度和承载能力的同时，获得了较大的工作空间，拥有大范围、多角度、高灵敏、大载荷等特点，可满足复杂零件处理、特殊环境作业、高精技术要求等情况下的应用需求。同时，多点协同作业的串并混联机构是今后复杂机械装备领域的发展重点和热点，具有巨大的应用前景，正逐渐成为机构学研究的重要发展方向。本文按照串并混联机械手臂构型分析——运动学研究——奇异性与工作空间研究——结构优化——仿真与物理实验的研究思路，所完成的主要研究工作包括:
　　1.对比研究了几种常用的构型综合方法，结合机构设计期望采用基于并联机构单运动学开放支链的构型选择方法，提出了一种3-RRR球面并联机构与四自由度串联机构串联而成的机械臂构型;进一步对串并混联连接方式的分析，确定了具有工作空间大、定位角度灵活且成本相对较低优点的上并联下串联结构;结合机构本身具有高耦合性且具有冗余约束的特点选择改进的Grubler-Kutzbach自由度计算方法获得的自由度分析结果满足设计期望。
　　2.考虑到机构是由串联机构和并联机构进一步串联而成的，且在笛卡尔坐标系中更便于对整机运动过程中各部件相关参数的观察与分析，故选择D-H坐标变换法分别建立并联机构与串联机构的位置方程，完成混联机械臂的运动学正解方程的建立，求得用来搭载并联机构的手臂末端的位姿与串并联机构各输入角、关节位置及部件几何参数之间的映射关系，为后文的奇异性分析和结构优化奠定基础。
　　3.为了保证整机在三维空间内工作的平稳性，通过机构中各个部件的几何关系和空间位置建立对应的奇异性求解方程，利用Maple、SimMechanics等数学软件分别绘制了并联机构与整机系统的有效工作空间分布图像，并联机构的工作空间近乎一个以其几何中心为球心的球面，整机的工作空间为一中空的半椭球体，从该图像中可以看出本设计具有良好的空间运动性和较大的工作范围，满足设计期望。
　　4.在前文研究的基础上，利用已建立的运动学方程和奇异性求解方程建立该混联机构的雅可比矩阵，本着工作空间最大化的原则，通过以雅可比矩阵条件数为优化对象的遗传算法对该机构进行结构参数优化并绘制了优化后的工作空间分布图形，相比常规参数优化方法雅克比矩阵的条件数kj降低至1.000008，并得出了相应机构部件的角度、位置、输入等结构参数，据此在CATIA软件中设计本机各部件并装配、渲染。
　　5.最后通过ADAMS仿真和搭建关键部件的物理样机对机构运动过程中位置、速度、加速度、奇异位置、工作空间等参数进行仿真与实验，分别得出了在并联机构在匀速平面转动、多角度三旋转运动及接近奇异位置三种不同状态下机构的运动学性能描述参数和整机系统在该过程中的各关节位置的运行状态参数。该系统具有良好的工作空间和运性平稳性，满足前文理论分析结果和设计期望，为该机构的工程化提供了依据，具有重大的工程价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 串联机械臂研究现状

1．2．2 并联机构研究现状

1．2．3 串并混联机构研究现状

1．3 问题剖析

1．4 本文主要工作

2．1 引言

2．2 型综合方法

2．2．1 螺旋理论的约束综合法

2．2．2 基于群论的型综合方法

2．2．3 基于方位特征集的型综合方法

2．3 构型选择

2．3．1 并联机构的构型选择

2．3．2 串并混联机构的构型搭配

2．4 本章小结

第3章 机械臂的运动学研究

3．1 引言

3．2 机械手臂运动学分析

3．3 机械手臂机构描述

3．4 机械手臂机构运动学位置

3．4．1 并联机构运动学分析

3．4．2 串联机构运动学分析

3．4．3 串并混联机构运动学分析

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 混联机械手臂的工作空间及奇异性研究

4．2．1 并联机构奇异位形

4．2．2 并联机构的工作空间

4．3 串并混联系统工作空间分析

4．4 小结

5．1 引言

5．2 并联机构的雅可比矩阵

5．3 基于遗传算法结构优化

5．3．1 优化目标的选择

5．3．2 基于遗传算法结构优化

5．4 并联机构模型的建立

5．4．1 利用CATIA进行三维实体建模

5．4．2 并联机构模型建立

5．5 串联机构模型的建立

5．6 本章小结

第6章 仿真与实验

6．1 引言

6．2 仿真与实验

6．3 本章小结

结论

1 全文总结

2 工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果