新型可重构混联机械手TriceptⅣ的刚度建模与分析

摘要

本文密切结合汽车工业对多坐标可重构制造装备的需求，在国家高技术研究发展计划(863计划)重点项目课题的资助下，研究了一种新型五坐标可重构混联机械手TriceptⅣ的运动学逆解、工作空间分析、静刚度分析及设计方法等问题。论文取得以下研究成果：
　　 1)根据该混联机械手的结构特点，研究了其运动学逆解问题，考虑到该机械手恰约束支链为系统提供了冗余驱动而造成其逆解不唯一，文中从保证整机静刚度性能的角度出发，提出了一种有效的运动学逆解方法。为了分析该混联机械手工作空间的构成，提出了一种基于运动学正解的工作空间搜索方法，在给定尺度参数的条件下可有效地得到该机械手的可达空间与任务空间。
　　 2)基于变形叠加原理，将机械手末端刚体变形分解为无约束主动支链(UP-S支链)和恰约束主动支链(UPP-支链)沿理想轴线的拉压变形、UPP-支链弯曲变形、UPP-支链扭转变形。利用物理关系、本构关系、几何关系，分别构造它们各自的柔度模型，最后利用结构力学的变形叠加原理在界面协调条件下建立了机械手末端的柔度模型，并通过算例分析了TriceptⅣ混联机械手在工作空间中的刚度分布规律。
　　 3)借助有限元软件AWB模块，研究了该混联机械手快速参数化建模技术。以各参数模型在各自极限位置处的侧向刚度最优为设计目标，在满足机械设计中尺寸限制的前提下，权衡工作空间/机构占地面积比和系统刚度确定出满足设计要求的尺寸参数。以若干典型位姿为例，对比分析了刚度解析模型与有限元模型的差异，验证了刚度解析模型的有效性。在尺度和弹性参数等同条件下，对TriceptⅣ和Tricept805的静态特性进行了对比，结果表明二者具有相似的刚度性能。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1课题研究背景和意义

1.2国内外研究状况

1.2.1 Tricept系列混联机械手的发展与演化

1.2.2并联机构刚度的建模方法

1.3主要研究内容

第二章运动学模型与工作空间分析

2.1引言

2.2 Tricept Ⅳ 机器人的运动学分析

2.2.1系统简介

2.2.2坐标系建立与动平台位姿描述

2.2.3位置逆解模型

2.3 工作空间分析

2.3.1 工作空间的构成

2.3.2 工作空间的搜索方法

2.3.2算例

2.4 小结

第三章 Tricept Ⅳ机械手的静刚度解析建模

3.1引言

3.2机械手静刚度预估的基本思路

3.3机械手静刚度理论建模

3.3.1机构中各支链轴向变形的柔度模型

3.3.2仅考虑UP(P_)支链弯曲变形的柔度模型

3.3.3考虑UP(P_)支链扭转变形的柔度模型

3.3.4机械手末端静柔度模型

3.4算例

3.5小结

附图

第四章 Tricept Ⅳ机械手整机有限元分析

4.1引言

4.2有限元优化分析及建模

4.2.1优化流程

4.2.2 AWB有限元建模

4.2.3优化结果

4.3 Tricept Ⅳ混联机械手有限元分析

4.3.1刚度分析结果

4.3.2 Tricept Ⅳ与Tricept 805刚度对比

4.4小结

附图

第五章全文结论

5.1结论

5.2工作展望

参考文献

附录

作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢