一类可重构并联机构的结构设计方法与运动学分析

摘要

随着科技的飞速发展及现代生产领域对机构多功能性、适应性的要求，可重构并联机构的构型设计与分析成为了近年来机构及机器人学领域研究的热点问题。本文在可重构并联机构结构设计及运动学分析方面展开研究，得到了一类新型的可重构并联机构，并针对现代加工生产中的多任务要求，进行了可重构并联机构的设计及分析。
　　针对目前存在的可重构并联机构构型少、驱动方案不理想的问题，提出了一种可重构并联机构结构设计的新方法。将具有奇异特性的闭链与固定自由度串联支链相结合，用于混联支链和并联机构的设计。利用闭链的奇异特性，实现混联支链的结构及运动变化，从而完成整体并联机构的重构及自由度变化。通过预设混联支链的运动特性，确定了可用的固定自由度串联支链可能的一种运动情况一两个转动运动和两个移动运动，并通过李群理论对能提供这种运动的串联支链进行了结构综合和列举。
　　在利用闭链的约束奇异特性方面，采用三种已有的运动分岔闭链，并新设计了一种特殊杆长条件的运动分岔链。分别讨论了利用这四种闭链进行可重构混联支链、并联机构设计应满足的几何条件，给出了相应的设计结果，得到的可重构并联机构能执行四种不同的三自由度操作模式。分析了一种可重构并联机构的运动解耦性，并通过运动仿真验证了机构的可重构特性。而在利用闭链支链奇异特性方面，提出了四种平面变胞机构，同样用于可重构混联支链、并联机构的设计，得到了一系列具有广泛自由度变化范围的可重构并联机构，能执行自由度数目在三到六之间的十种操作模式。得到的可重构并联机构的所有驱动都能布置在机架上，确保了机构具有良好的动力学性能。
　　在平面菱形机构的基础上，提出了一种新型的运动分岔多环闭链，并与串联支链结合，得到了可重构混联支链和并联机构的设计。对一种平面型的可重构并联机构进行了运动学及刚度分析，并与相应的固定自由度并联机构进行对比。揭示了可重构并联机构除变自由度能力外，在运动学及性能指标方面的优势。
　　针对现代加工生产中的多任务要求，提出了具有四种操作模式的可重构并联机构。建立了可重构并联机构统一的位置分析模型和完整的雅可比矩阵。利用不同操作模式下的运动仿真结果验证了正解的正确性。对机构进行了工作空间及奇异分析。搭建了实验样机，并进行了相关的运动及加工实验。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 可重构机构的提出

1．2 并联机构相关研究

1．2．1 并联机构构型综合理论

1．2．2 并联机构运动学性能

1．3 可重构并联机构

1．4 课题的提出及意义

1．5 研究内容

2 可重构并联机构的结构设计方法

2．1 李群理论及螺旋理论简介

2．1．1 李群理论简介

2．1．2 螺旋理论简介

2．2 可重构并联机构设计方法

2．3 本章小结

3 含约束奇异特性单环闭链的可重构并联机构

3．1 运动分岔单环闭链

3．1．1 空间4R机构

3．1．2 平面RPRP机构

3．1．3 平面菱形机构

3．1．4 空间6R机构

3．2 可重构混联支链

3．2．1 含空间4R机构的可重构混联支链

3．2．2 含平面RPRP机构的可重构混联支链

3．2．3 含平面菱形机构的可重构混联支链

3．2．4 含空间6R机构的可重构混联支链

3．3 可重构并联机构

3．4 一种部分解耦的可重构并联机构

3．4．1 位置正反解及解耦性分析

3．4．2 仿真分析

3．5 本章小结

4 含支链奇异特性闭链的可重构并联机构

4．1 平面变胞机构

4．2 可重构混联支链

4．3 可重构并联机构

4．4 本章小结

5 含约束奇异特性多环闭链的可重构并联机构

5．1 运动分岔多环闭链

5．2 可重构混联支链

5．3 可重构并联机构

5．4 衍生可重构平面并联机构及运动学分析

5．4．1 3RRP机构

5．4．2 2RRP-MDP机构处于2T1R工作模式

5．4．3 2RRP-MDP机构处于2T工作模式

5．4．4 2RRP-MDP机构处于1R1T工作模式

5．4．5 刚度分析

5．5 本章小结

6 面向任务的可重构并联机构设计与分析

6．1 任务分析及机构设计

6．2 统一的运动学模型

6．2．1 位置正反解

6．2．2 数值算例与仿真分析

6．2．3 雅可比矩阵

6．3 奇异位形及工作空间分析

6．3．1 支链奇异

6．3．2 平台奇异和驱动奇异

6．3．3 工作空间

6．4 样机实验

6．5 本章小结

7 结论

参考文献

附录

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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