少自由度并联机构性能评价指标体系研究

【摘要】：本文研究少自由度并联机构的性能评价指标体系及高刚度和高速两类典型少自由度并联机构的参数优化设计准则,并将研究成果分别用于具有自主知识产权的高刚度并联机构和高速并联机构的设计。全文取得成果如下: 在性能评价指标体系架构研究方面,引入“锁定”和“度量”的概念,实现了并联机构的速度、静力、能量、刚度、精度、加速度及刚体动力学等性能在机构链内和链间传递的描述,使在统一数学定义下构建并联机构的性能评价指标体系架构成为可能。 在并联机构参数优化设计准则研究方面,面向高刚度和高速两类典型少自由度并联机构,提出以关注性能评价指标为优化设计的目标函数,辅以几何条件及其他性能评价指标为约束条件的等物理量优化设计准则。 在一阶运动层面性能评价指标体系研究方面,分别定义了速度、静力、能量、刚度及精度的局域/全域性能评价指标,构建了一阶运动层面性能评价指标体系。此外,提出了少自由度并联机构速度、静力、能量及刚度性能传递奇异概念,丰富了并联机构的奇异分类。 在高刚度少自由度并联机构优化设计方法研究方面,面向服役环境,提出一种以能量传递性能和刚度传递性能为优化设计的目标函数,辅以几何条件和速度、静力及精度传递性能为约束条件,利用等物理量准则给出设计参数最优尺度域的优化方法。该等物理量优化设计方法已应用到具有自主知识产权的Tricept-IV机械手的开发中,且将研发的Tricept-IV机械手在国产某型号汽车发动机变速箱装配作业中进行了示范应用。 在二阶运动层面性能评价指标体系研究方面,分别定义了加速度及驱动关节动力的局域/全域性能评价指标,构建了二阶运动层面性能评价指标体系。此外,提出了少自由度并联机构加速度及驱动关节动力性能传递奇异概念,丰富了并联机构的奇异分类。 在高速少自由度并联机构优化设计方法研究方面,面向服役环境,提出一种以能量传递性能和驱动关节动力传递性能为优化设计的目标函数,辅以几何条件和速度、加速度、静力及精度传递性能为约束条件,利用等物理量准则给出设计参数最优尺度域的优化方法。该等物理量优化设计方法可应用到具有自主知识产权的高速激光切割/焊接机械手Licept和高速抓放机械手LiTriang原型样机研发中。 本文研究成果对丰富和发展机器人机构学相关设计理论,推进并联机器人技术的工程应用具有重要的理论意义和实用价值。