3-PRRRR移动并联机构自由度、约束奇异和运动学分析

摘要

并联机器人因具有高刚度、大载荷、无累积误差等特点而在实际应用中发挥着它独特的优势。本文提出了一种完全解耦的平移并联机构--3-PRRRR移动并联机构,该并联机构通过转动副和移动副的组合实现动平台的三自由度平移,主要研究了该机构的自由度、约束奇异和运动学特性。
　　 根据黄真教授提出的修订Chebyshev-Griibler-Kutzbach自由度计算公式分析3-PRRRR并联机构。把机构中的运动副用旋量表示,分析了支链对动平台的约束。把冗余约束、局部自由度等概念用在自由度的计算中,最后验证了正交3-PRRRR并联机构是一种三自由度的平移并联机构。
　　 研究了一般3-PRRRR并联机构存在的两种约束奇异。分析了每种情况支链约束之间的线性关系以及动平台的自由度。而正交3-PRRRR并联机构由于三条支链的正交关系,导致了支链约束螺旋线性无关,因此该机构不存在约束奇异。正交3-PRRRR并联机构是一种无约束奇异的三平移并联机构。
　　 根据正交3-PRRRR并联机构的空间位置关系,得出机构的运动学方程,在此基础上分析了速度和加速度的特性,得到了机构的雅可比矩阵。在它基础上进一步研究了机构的雅可比条件数、工作空间、机构的刚度性能指标,并得到了工作空间、刚度与机构参数的表达式,提出了如何改善这些性能指标的方法,为样机的制作提供的理论依据。
　　 利用SolidWorks进行虚拟样机建模,通过导入ADAMS软件进行运动学仿真,对机构进行位移、速度、加速度、运动干涉情况的分析,结果验证了机构的完全解耦的特性。根据前面的理论依据设计样机的参数,并制作出试验样机。通过PC+运动卡的方案组建了控制系统,包括硬件设计和软件设计两部分。样机单轴和多轴驱动的实验说明了正交3-PRRRR并联机构是完全解耦的三自由度机构以及该机构的控制系统的可行性,本文研究成果对正交3-PRRRR并联机构的应用具有重要意义。