基于单开链单元的并联机器人机构学理论研究

摘要

本文基于并联机构的支路单开链及序单开链两种结构组成原理,以单开链单元描述机构的拓扑结构,对并联机构的结构学、运动学、动力学理论进行了深入、系统的研究.揭示了并联机构拓扑结构与其运动学、动力学之间的内在联系,试图并初步实现了并联机器人机构学理论的系统化,为并联机构的创新设计提供了坚实的理论基础. 首先,给出了支路单开链的约束度定义及计算公式,揭示了约束度与机构过约束性之间的定量关系.得出了完全对称的四、五自由度并联机构必为过约束机构的结论.提出了基于支路单开链单元的型综合方法.给出了3-6自由度无过约束并联机构所有可能的型综合方案.按对称性、机构耦合度、控制解耦性等拓扑结构特征对综合方案进行了分类.综合出了若干并联机构的新构型,其中包括一类含串联输入支路的并联机构. 然后,基于序单开链结构组成原理,给出了并联机构正运动学分析一种新的数值方法一序单开链法.按有序单开链单元之间的约束关系建立了与机构拓扑结构相统一的机构位置、速度、加速度分析数学模型.无需技巧性降维即可得到维数最少,且恰等于机构耦合度的运动学方程.揭示了并联机构拓扑结构与运动学之间的内在联系.分析实例结果证明了方法的系统性及有效性,并表明具有分析过程简明,且物理意义明晰等优点. 其次,基于序单开链结构组成原理,提出了并联机构逆动力学分析的序单开链法.按机构序单开链结构分解路线的逆序,应用牛顿一欧拉方程建立了动力学分析模型,该模型揭示了拓扑结构与动力学之间的内在联系.并与机构运动学分析模型相统一.该方法具有普遍的适用性,且可获得维数恰等于机构耦合度的最低维数的动力学方程. 最后,用牛顿一欧拉法首次给出了并联机构逆动力学分析的一般方法.该方法数学模型推导过程比较简单,适用于具有不同结构的简单支路单开链并联机构,其数学模型含6维线性方程组,较序单开链法得出的方程维数高.

目录

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第一章绪论

1.1课题研究背景和意义

1.1.1并联机器人机构的提出、特点和应用

1.1.2课题研究目的及意义

1.2国内外研究状况

1.2.1并联机构拓扑结构综合

1.2.2并联机构运动学

1.2.3并联机构动力学

1.3本文主要研究内容

第二章并联机构拓扑结构特征

2.1引言

2.2并联机构支路单开链结构组成

2.2.1支路单开链结构分解方法

2.2.2支路单开链基本类型

2.3并联机构序单开链结构组成

2.3.1序单开链结构分解方法

2.3.2序单开链约束度

2.3.3序单开链结构分解原则及机构耦合度

2.3.4基本运动链及其判定

2.4并联机构运动输出特征

2.4.1并联机构运动输出特征矩阵

2.4.2独立运动输出机构与复合运动输出机构

2.4.3运动输入一输出的控制解耦性

2.4.4并联机构运动输出特征方程

第三章基于支路单开链单元的并联机构拓扑结构综合

3.1引言

3.2支路单开链的约束度

3.3并联机构过约束性及其分类

3.3.1过约束性定义

3.3.2过约束性与支路间回路秩的关系

3.3.3过约束并联机构分类

3.4支路单开链的约束度与过约束性之间的定量关系

3.5并联机构的对称性与过约束性之间的内在联系

3.6基于支路单开链单元的无过约束并联机构型综合方法

3.6.1型综合的基本准则

3.6.2型综合的一般过程

3.6.3型综合方法应用示例

3.7 3-6自由度无过约束并联机构型综合

3.7.1六自由度机构型综合

3.7.2五自由度机构型综合

3.7.3四自由度机构型综合

3.7.4三自由度机构型综合

3.8一类含串联输入支路的并联机构型综合

3.8.1含串联输入支路单开链类型

3.8.2含串联输入支路的无过约束并联机构型综合

3.8.3含串联输入支路的并联机构拓扑结构特征

3.9本章小节

第四章基于序单开链单元的并联机构正运动学——位置分析

4.1一引言

4.2并联机构位置正解序单开链法基本原理

4.3序单开链法位置分析方程

4.4典型并联机构序单开链结构分解

4.4.1 6-UPS机构

4.4.2 4UPS-RPS机构

4.4.3 3-RPS机构

4.5四自由度2UPS-2RPU(2T-2R)并联机构位置正解

4.5.1机构组成及序单开链结构分解

4.5.2坐标系的建立及已知参数

4.5.3机构位置分析

4.5.4数值实例

4.6四自由度2UPS-2RPS(2T-2R)并联机构位置正解

4.6.1机构组成及序单开链结构分解

4.6.2坐标系的建立及已知参数

4.6.3机构位置分析

4.6.4数值实例

4.7本章小结

第五章基于序单开链单元的并联机构正运动学——速度、加速度分析

5.1引言

5.2并联机构速度、加速度分析序单开链法基本原理

5.3序单开链法速度、加速度分析方程

5.4速度、加速度方程系数的线性叠加法

5.5四自由度2UPS-2RPU(2T-2R)并联机构速度、加速度分析

5.5.1机构速度分析

5.5.2机构加速度分析

5.5.3数值实例

5.6四自由度2UPS-2RPS(2T-2R)并联机构速度、加速度分析

5.6.1机构速度分析

5.6.2机构加速度分析

5.6.3数值实例

5.7本章小结

第六章并联机构逆动力学分析

6.1引言

6.2基于序单开链单元的并联机构逆动力学分析理论

6.2.1基本原理

6.2.2动力学分析方程(牛顿-欧拉原理)

6.2.3动力学方程系数的线性叠加法

6.2.4动力学分析一般过程

6.3基于序单开链单元的2UPS-2RPS机构逆动力学分析

6.3.1坐标系的建立

6.3.2机构逆运动学分析

6.3.3机构动力学分析

6.3.4数值实例

6.4基于支路单开链单元的并联机构逆动力学分析理论

6.4.1基本原理

6.4.2动力学分析方程(牛顿-欧拉原理)

6.4.3动力学分析一般过程

6.5基于支路单开链单元的2UPS-2RPS机构逆动力学分析

6.5.1机构支路单开链结构分解及在支路坐标系可求解分力数目的确定

6.5.2支路单开链动力学分析

6.5.3动平台动力学分析

6.5.4驱动力及定平台支反力分析

6.6本章小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间撰写的学术论文及参加的科研项目

致谢