3-P(RR)球面并联机构运动学优化设计

摘要

本文在国家自然科学基金资助下，主要研究3-Pc(RR)N球面3自由度并联机构的运动学优化设计方法，主要工作和研究成果可概括为如下几个方面：
　　 针对运动学分析与设计的需要，合理定义机构结构参数，用D-H方法构建各构件相对运动参照系，构造机构的姿态正、逆解模型。
　　 在位姿逆解的基础上，提出可达工作空间，灵活工作空间的计算机数值搜索法。给出驱动关节到动平台输出的速度映射矩阵，即速度雅可比矩阵。借助位置逆解和雅可比矩阵，计算工作空间中各个位姿雅可比矩阵的行列式，得到奇异位形的求解方法。通过对雅可比矩阵表达式的分析，给出3-Pc(RR)N机构发生奇异需满足的位形和结构特征。
　　 从运动学和静力学的角度出发，构造出球面并联机构从驱动关节到动平台输出的速度、承载力、误差、刚度映射模型，定义速度、条件性、承载力和刚度等各项性能指标、全域性能指标及局域性能指标。给出结构参数的尺寸范围，建立3-PC(RR)N机构的空间模型，在空间模型内研究全域性能指标和结构参数的关系，绘制全域性能图谱，利用性能图谱进行结构的优化设计。提出了改进全域性能指标的算法。利用matlab的GUI工具将3-Pc(RR)N机构的相关信息，全域性能图谱和局域性能图谱的算法整合到一个应用模块中，为设计者提供了方便。
　　 按照设计要求，运用全域性能指标优化方法，确定样机结构参数，完成3-PC(RR)N样机运动学设计。分析了样机的工作空间，奇异位形，及局域性能指标，找出样机的奇异位形，绘制可达工作空间，灵活工作空间，和局域性能图谱。利用GT控制卡实现对样机的简单控制。
　　 本文研究工作对3-Pc(RR)N球面并联机构样机的开发具有重要指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题的背景及研究意义

1.2 目前国内外研究现状

1.2.1 国内外并联机器人的研究现状

1.2.2 球面三自由度并联机构的国内外研究状况

1.3 本文主要研究内容

第二章 结构参数定义与姿态正、逆解模型

2.1 引言

2.2 3-Pc(RR)N球面3自由度并联机构的基本结构参数

2.3 动角台的姿态描述与坐标变换

2.4 位姿逆解

2.5 姿态正解分析

2.5.1 坐标系的定义

2.5.2 姿态正解模型

2.6 本章小结

第三章 工作空间和奇异位形分析

3.1 引言

3.2 3-Pc(RR)N球面并联机构的工作空间

3.3 雅可比矩阵

3.4 3-Pc(RR)N球面并联机构的奇异位形

3.5 本章小结

第四章 3-Pc(RR)N球面并联机构运动学性能分析

4.1 引言

4.2 结构参数范围

4.3 工作空间全域性能

4.3.1 可达工作空间

4.3.2 灵活工作空间

4.4 速度指标及其全域性能图谱

4.4.1 向量极值问题

4.4.2 速度极值指标

4.5 全域条件性能指标及局域条件性能指标

4.5.1 矩阵的条件数

4.5.2 3-Pc(RR)N球面并联机构的全域条件性能指标(灵巧度指标)

4.5.3 全域条件性能指标算法的改进

4.5.4 局域条件性能指标

4.6 承载力指标及其性能图谱

4.7 刚度性能指标及其性能图谱

4.8 利用性能图谱进行3-Pc(RR)N球面并联机器人的设计

4.9 3-Pc(RR)N球面并联机器人计算机辅助设计软件模块

4.10 本章小结

第五章 样机设计

5.1 引言

5.2 根据性能要求确定样机结构参数

5.3 样机基本结构参数

5.4 样机工作空间

5.5 样机奇异位形

5.6 样机各项局域性能分析

5.7 性能指标与动平台欧拉角的关系

5.8 控制系统硬件实现

5.8.1 运动控制卡

5.8.2 硬件连接

5.9 控制系统软件设计

5.10 本章小结

第六章 总结和展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文