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一类平面两自由度并联机构的性能分析与优选研究

作　者: 朱小蓉
导　师: 蔡兰
学　校: 江苏大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 平面并联机构驱动布局设计空间性能图谱灵活工作空间优选混联机器人
分类号: TP242
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

少自由度并联机构,特别是2、3自由度的新型并联机构是并联以及混联机器人机构创新和性能评价的基础和重点,有着重要的应用前景和开发价值。最近十年以来,提出了大量的2、3自由度的并联机构,然而实际在用的并联机构的数目却非常少,阻碍其广泛应用的原因主要有两方面：(1)并联机构的比较和优选困难。机构类型的多样性,使得适合于特定操作任务的最佳的机构方案难以选择；(2)机构参数的优化设计困难。机构的性能指标依赖于其拓扑类型、驱动布局和设计参数,难以进行全局优化设计。本文首先构建了一类2自由度平面并联机构(PPKM),然后提出一个系统的方法来研究它们的优选问题,目的是为规定的操作任务选择一个最合适的机构方案。主要工作如下：首先,完整地构建一类含PRR分支的PPKM,并给出每个机构唯一的和明确的描述。主要包括三个方面的工作：(1)分析了六种不同分支的五杆机构,从中选择分支为PRR、以固定在静平台上的P关节作为驱动关节的PPKM作为研究对象；(2)以两自由矢量的独立方向数为依据,分析了该类PPKM的三种驱动布局,并采用与坐标系无关的结构参数描述每种布局；(3)提出统一的方法描述该类PPKM,每个机构都可以根据其驱动布局类型和结构参数给以唯一描述,在此基础上建立了机构统一的运动学方程、雅可比矩阵以及各向同性条件,并编制了对应的运动分析软件,以避免单个机构的分析和大量的符号运算。其次,对三种典型驱动副布局的PPKM的性能进行了研究,主要包括三方面内容：(1)根据机构几何约束,采用归一化原理建立了三种机构的设计空间模型；(2)系统地分析了三种机构的理论工作空间、奇异轨迹以及灵活工作空间与机构杆件尺寸参数以及与机构控制模式之间的关系,讨论了其在机构尺寸设计空间内的分布规律,为优选控制模式提供依据；(3)分析了三种机构的全局条件数、全局速度指标、全局刚度指标以及空间利用率指标与机构杆件尺寸参数之间的关系,并绘制了相应的性能图谱。提出了一种新的空间利用率指标,以机构最大规则形状灵活工作空间与整个机构占地面积之比作为空间利用率,更具实用价值。同时,在机构工作空间求解过程中,简化了传统的边界搜索法,提出了一组高效的、只在边界附近搜索验证的算法来确定PPKM可达的、灵活的工作空间及其边界,以及包含在它们内部的最大规则形状的灵活工作空间。再次,提出一种优选方法,从三种PPKM中为规定的操作任务选择一种最合适的机构方案。优选标准考虑了每个PPKM的全局条件指标、全局速度指标、全局刚度指标和空间利用率指标。优选工作分两个层次进行：(1)对三种布局PPKM进行优化设计,确定了三个运动学参数优化的PPKM,使每个PPKM都能产生一个规则灵活工作空间尽可能接近所给定的操作任务；(2)考虑不同的优选标准,确定一种最合适的机构方案。最后,利用优选的机构进行了5自由度混联高速喷涂机器人的设计。首先,根据操作任务进行了并联机构的尺寸综合；然后,分析了并联机构部分的局部性能,利用Langrane方程建立了机构动力学模型,在Solidworks软件中建立虚拟样机并进行运动轨迹规划和受力仿真；研制单喷枪、三喷枪协同喷涂二款五轴混联高速喷涂机器人,并比较了这二种结构的性能优劣。

全文目录

摘要  6-9
ABSTRACT  9-13
目录  13-17
图表清单  17-21
1 绪论  21-31
  1.1 并联机构的定义及分类  21-22
  1.2 少自由度并联机构及其研究进展  22-28
    1.2.1 少自由度并联机构型综合的研究现状  23
    1.2.2 少自由度并联机构运动学与设计的研究现状  23-28
  1.3 论文的选题意义及主要研究内容  28-31
    1.3.1 论文的选题意义  28
    1.3.2 主要研究内容  28-31
2 一类平面2自由度并联机构  31-43
  2.1 2-DOF平面并联机构构型的设计准则  31-32
  2.2 2-DOF平面五杆机构及其分支拓扑  32-34
  2.3 2-DOF平面并联机构拓扑分支优选  34-35
  2.4 两个P驱动关节在静平台上的可能布局  35-40
    2.4.1 平面并联机构的驱动布局问题  36-37
    2.4.2 两个驱动的P关节的可能布局  37-40
  2.5 一类含PRR分支的PPKM的装配条件和创建方法  40-41
    2.5.1 PRR分支的装配条件  40
    2.5.2 一类含PRR分支的PPKM的创建  40-41
  2.6 本章小结  41-43
3 一类含PRR分支的PPKM的运动学分析  43-55
  3.1 引言  43
  3.2 一类含PRR分支PPKM的运动学分析  43-51
    3.2.1 统一的运动学模型  43-46
    3.2.2 运动学求解  46-48
    3.2.3 雅可比矩阵  48
    3.2.4 奇异性分析  48-50
    3.2.5 各向同性分析  50-51
  3.3 PPKM的参数归一化处理  51-54
    3.3.1 参数归一化原理  51-53
    3.3.2 参数归一化在PPKM设计中的应用  53-54
  3.4 本章小结  54-55
4 不同驱动布局PPKM的运动学分析比较  55-71
  4.1 三种驱动布局的PPKM简介  55-57
    4.1.1 平行布局的含PRR分支的PPKM  55-56
    4.1.2 垂直布局的含PRR分支的PPKM  56
    4.1.3 重合布局的含PRR分支的PPKM  56-57
  4.2 平行布局的PPKM运动学分析  57-61
    4.2.1 机构位置分析  57-59
    4.2.2 雅可比矩阵求解  59-60
    4.2.3 各向同性分析  60-61
  4.3 垂直布局的PPKM运动学分析  61-64
    4.3.1 机构位置分析  61-63
    4.3.2 雅可比矩阵分析  63-64
    4.3.3 各向同性分析  64
  4.4 重合布局的PPKM运动学分析  64-68
    4.4.1 机构位置分析  64-66
    4.4.2 雅可比矩阵求解  66-67
    4.4.3 各向同性分析  67-68
  4.5 三种驱动布局的PPKM的设计空间  68-70
    4.5.1 平行布局的PPKM的设计空间  68-69
    4.5.2 垂直布局的PPKM的设计空间  69-70
    4.5.3 重合布局的PPKM的设计空间  70
  4.6 本章小结  70-71
5 不同驱动布局PPKM的工作空间和奇异轨迹分析  71-99
  5.1 并联机构的工作空间和奇异性  71-73
    5.1.1 并联机构工作空间的定义与特点  71-72
    5.1.2 影响平面并联机构工作空间的因素  72-73
  5.2 平行布局PPKM的工作空间及奇异轨迹  73-87
    5.2.1 机构理论工作空间分析  73-76
    5.2.2 机构理论工作空间面积  76-77
    5.2.3 机构奇异轨迹分析  77-82
    5.2.4 机构可达工作空间分析  82-87
  5.3 垂直布局PPKM的工作空间及奇异轨迹  87-94
    5.3.1 机构理论工作空间分析  87-88
    5.3.2 机构理论工作空间面积分析  88-89
    5.3.3 机构奇异轨迹分析  89-91
    5.3.4 机构可达工作空间分析  91-94
  5.4 重合布局PPKM的工作空间及奇异轨迹  94-98
    5.4.1 机构理论工作空间分析  94
    5.4.2 机构理论工作空间面积分析  94-95
    5.4.3 机构奇异轨迹分析  95-96
    5.4.4 机构可达工作空间分析  96-98
  5.5 本章小结  98-99
6 不同驱动布局PPKM的全域性能指标分析  99-131
  6.1 引言  99
  6.2 并联机构的运动静力学性能指标  99-105
    6.2.1 条件指标  99-101
    6.2.2 速度评价指标  101-102
    6.2.3 刚度指标  102-104
    6.2.4 最大规则灵活工作空间和空间利用率指标  104-105
  6.3 确定最大规则灵活工作空间及其边界的算法  105-110
    6.3.1 确定可达的和灵活的工作空间及其边界的算法  106-107
    6.3.2 确定最大规则灵活工作空间的算法  107-110
  6.4 平行布局的PPKM的性能分析  110-120
    6.4.1 全条件数指标(GCI)  110-112
    6.4.2 速度指标  112-114
    6.4.3 刚度指标  114-117
    6.4.4 机构最大规则灵活工作空间和空间利用率指标  117-120
    6.4.5 性能分析  120
  6.5 垂直布局PPKM的性能分析  120-125
    6.5.1 全条件数指标(GCI)  120-121
    6.5.2 速度指标  121-122
    6.5.3 刚度指标  122-123
    6.5.4 机构最大规则灵活工作空间和空间利用率指标  123-124
    6.5.5 性能分析  124-125
  6.6 重合布局PPKM的性能分析  125-129
    6.6.1 全条件数指标(GCI)  125-126
    6.6.2 速度指标  126
    6.6.3 刚度指标  126-127
    6.6.4 机构最大规则灵活工作空间和空间利用率指标  127-129
    6.6.5 性能分析  129
  6.7 本章小结  129-131
7 不同驱动布局PPKM的比较和优选  131-149
  7.1 引言  131-132
  7.2 比较和优选的方法  132-133
  7.3 机构运动学设计参数优化  133-143
    7.3.1 机构无量纲结构参数优化  133-139
    7.3.2 机构有量纲参数确定  139-142
    7.3.3 PPKM的比较和优选  142-143
  7.4 优化PPKM的局部性能分析  143-147
  7.5 本章小结  147-149
8 PPKM在混联喷涂机器人上的应用  149-165
  8.1 任务要求及并联机构设计  149-153
    8.1.1 尺度综合  149-150
    8.1.2 并联机构动力学模型  150-153
    8.1.3 末端参考点峰值速度的预估  153
  8.2 动力学算例分析  153-159
    8.2.1 运动轨迹规划  153-156
    8.2.2 轨迹规划仿真  156-159
  8.3 混联喷涂机器人总体方案设计  159-162
  8.4 喷涂机器人的结构实现与功能  162-163
  8.5 本章小结  163-165
9 总结与展望  165-169
  9.1 总结  165-166
  9.2 论文创新之处  166
  9.3 展望  166-169
参考文献  169-177
致谢  177-179
攻读博士学位期间参与项目和发表的论文  179
  参加的科研项目  179
  发表的论文  179

一类平面两自由度并联机构的性能分析与优选研究

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