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可重构混联机械手模块TriVariant的设计理论与方法

李曚  
【摘要】:本文密切结合开发新型可重构制造装备的需求,在国家杰出青年科学基金和天津市科技攻关专项资助下,系统研究了一种可重构混联机械手模块TriVariant的概念设计、工作空间分析与综合、位置正解分析、刚体动力学建模与性能评价等问题,并将理论成果用于指导一种钢结构复合加工装备的设计。论文取得了如下创造性成果: 在高度抽象少自由度并联机构组成原理的基础上,系统论述了可重构PKM模块的选型原则,并得到含有简式恰约束支链的少自由度并联机构较宜作为上述模块本体的重要结论。根据这一结论创造性地提出一种具有工程实用价值的5自由度可重构混联机械手模块——TriVariant。该模块具有与Tricept机械手相同数目和类型的自由度,且继承了其全部结构特征。 系统研究了TriVariant机械手的尺度综合方法。该方法借助单调性分析,揭示出机构尺度参数对操作性能的影响规律,进而通过引入操作性能的近似轴对称和UPS支链杆长比等约束条件,将尺度综合问题转化为求解一类非线性方程组问题。研究结果表明,在任务空间和尺度参数等同条件下,TriVariant与Tricept机械手具有极为相近的运动学性能。 分别采用解析法和数值法研究了TriVariant和Tricept机械手的位置正解问题。研究结果表明,前者的位置正解方程在结构和求解规模方面均远较后者来得简单。 利用虚功原理建立了TriVariant和Tricept机械手的精确动力学逆解模型,并构造出评价动力学性能的局部和全域指标。研究结果表明,TriVariant机械手同样具有与Tricept机械手极为相似的动力学性能。此外,利用奇异值分解原理,还提出一种快速预估伺服电机参数的方法,并通过典型轨迹验证了其有效性。 上述研究成果不但为指导一种钢结构复合加工装备的设计奠定了坚实的理论基础,而且对开发同类可重构制造装备具有重要的参考价值。


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