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Stewart平台位置正解构型分岔及尺度综合问题的研究

陈华  
【摘要】: 能够提供空间六自由度运动的Stewart平台型并联机构,与串联机构相比,具有高刚度、高精度、快速动态响应,大的荷重比等特点,在飞行模拟器、飞船太空对接装置、雷达、卫星天线等系统的定位设备、工业机器人、并联机床等领域获得了广泛应用。然而,由于闭环结构的存在,Stewart平台具有更为复杂的机构特性。本论文对Stewart平台型六自由度并联机构的位置正解、构型分岔及尺度综合等问题进行研究。 由于运动方程的高度非线性,Stewart平台的位置正解很复杂。本文研究了应用小波网络求解Stewart平台位置正解的方法。首先构造了适合逼近多输入多输出系统的小波网络,通过考虑输入样本数据的稀疏性,及正交化方法选取适合逼近输出样本数据的小波元,优化了小波网络的结构。然后以六自由度Stewart平台为例,求解了其位置正解。为了进行比较,同时对此问题构造了一个BP神经网络。结果表明,应用小波网络求解位置正解比用BP神经网络具有更好的性能。并且,数值实例表明采用小波网络的求解结果作为数值法的迭代初值,可以取得很好的效果。 对于给定的一组运动输入参数,并联机构有可能出现构型分岔现象。本文对Stewart平台构型分岔问题进行了分析。采用同伦迭代法求解机构装配构型,得到六自由度Stewart平台的8种装配构型。基于在连杆空间分析并联机构运动状态的思想,应用杆长向量表示了六自由度半对称Stewart平台的16种典型极限位姿。并利用静态分岔条件,对典型极限位姿进行分岔分析,得到避免出现构型分岔的连杆输入长度参数。 本文进行了在连杆长度范围内可以随意运动的安全机构的设计。首先对并联机构的构型分岔、铰链转角和连杆干涉这些约束条件进行分析。然后综合考虑极限位姿约束条件和连杆所受静态力约束条件,提出了安全机构设计算法。在考虑了极限位姿约束条件后,所得到的机构基本上具有较好的性能,再对其在整个连杆行程范围内检验连杆所受静态力是否合理,从而使整个工作空间内没有奇异点。随后,求取了一般六自由度Stewart平台型并联机构的连杆安全行程,通过安全行程与结构参数之间的关系的分析,为我们进行机构设计时对结构参数的选取提供了参考。为了进一步分析安全机构的性能,采用动力学仿真软件ADAMS进行仿真分析。 结合两项实际的六自由度运动模拟器的技术性能指标要求,在对Stewart平台的工作空间和性能评价指标分析基础上,本文分别以典型极限位姿的雅可比矩阵条件数均值最小和工作空间最大为优化目标,采用遗传算法优化机构的所有结构参数,设计出具有较好的全局运动性能和较大工作空间的两种Stewart平台型安全机构运动模拟器。


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