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《中国科学技术大学》 2009年 博士论文
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空间三自由度并联/混联机构构型、性能与若干应用研究

高振  
【摘要】:制各 随着高等空间机构学和机器人技术的发展,以并联机构为理论依托的并联机器人作为机器人技术的一个重要分支,对其理论和应用的研究日趋活跃。尽管不少学者已经对并联机构的构型、运动学、动力学、工作空间及奇异性等方面做了不同程度的研究,但是大部分工作仍然集中于以传统的Gough-Stewart为代表的六自由度并联机构。由于大多数工业操作并不需要全自由度设备,比如机械加工领域五自由度已满足要求,电子元件装配的拾放操作只需四个自由度,因此工业界和学术界对少自由度的新构型并联机器人的研究需要显得日益迫切。而空间三自由度并联机构作为少自由度构型里最有发展前景的一类,对其构型的研究将有利于推动少自由度并联机器人的深入发展和广泛应用。由于机构的串联或并联从哲学观念出发是对立统一的,混联机器人将综合两者的优点,在某些特殊的应用场合发挥作用,同时丰富机构学研究的内涵。本文以此为背景,深入研究了若干种空间三自由度并联/混联机构的新构型,提出了几种重要的性能指标的建模及优化方法,并就具体的应用领域进行了有益的探索和挖掘。全文的主要研究工作概括如下: 研究了空间少自由度并联/混联机构的设计优化理论与方法,对并联/混联构型下的三自由度机构进行了拓扑分析。阐述了性能优化过程中采用的遗传算法与径向基神经网络的融合算法,把Pareto多目标优化的理论引入到基于并联机器人构型的多性能优化中,给出了并联机器人在一定几何约束条件下的性能优化的Pareto前沿集合。 基于一种新颖的Tripod并联机器人机床(具有二个移动自由度及一个转动自由度,采用了平行四边形机构来增加三条支链的刚度),提出了采用Jacobian矩阵的全局刚度表征方法,给出了全局刚度优化的原理与结果。提出把并联机器人多误差源抽象成单一的假想误差源,并基于一种进化神经网络对误差进行补偿。 探讨了一种基于3SPS+RPR构型,利用杆件和关节本身柔顺性实现微动操作的柔性混联机构,并运用运动静力学模型建立了主要性能指标,对包括全局刚度、灵活性及操作能力在内的多项性能指标进行了多目标优化。尝试融合径向基神经网络和混联机构的逆向运动学模型求解其正向运动学模型数值解。 通过对一体化三维加速度传感器以及仿土拨鼠救援机器人的研究,拓展并联/混联机构应用的新视角。基于全解耦并联弹性体结构的三维加速度传感器因采用笛卡尔直角坐标系结构,三个方向的加速度通过三条支链上的弹性应变分别测得,由于两两正交,在结构上实现了多维加速度的自动解耦。并对3RRPRR柔性并联机构的构型、各向同性等进行了分析,对传感器结构尺寸变化下弹性体的应力应变进行了有限元分析。并研制了相应的物理样机,重力法标定试验结果验证了原理的可行性和样机本身的性能。 针对矿难危险环境下实施机器人救援的性能需求进行了分析,提出了一种仿土拨鼠机器人及其颈部冗余驱动机构。阐述了仿土拨鼠机器人体系结构与模型,对其颈部4UPS+PU冗余驱动的混联机构进行了设计与分析,探讨了仿土拨鼠机器人在矿难危险环境下应用的可行性,并基于Adams虚拟样机技术对4UPS+PU机构的运动学、动力学等进行了仿真研究。


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