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立体停车机器人并联举升机构综合及间隙动力学研究

赫天华  
【摘要】:随着中国社会和经济的快速发展,人民生活水平日渐提高,中国居民汽车保有量逐年快速增加,随之而来的停车难问题给人们带来了越来越多的困扰。立体停车设备的出现,有效地缓解了目前的停车难问题,然而,立体停车设备事故层出不穷,这让人们对这一技术产生了一定的不信任。安全性和稳定性问题给立体车库的普及和推广带来了很大阻力,制约了技术的进一步发展。为提高立体车库的安全性和稳定性,本文主要进行以下几方面的研究:针对立体停车机器人并联举升机构的型综合问题进行分析,将立体停车机器人并联举升机构的运动需求转换为并联机构的自由度问题,经过分析,确定举升机构为具有绕总体坐标系X轴转动和沿总体坐标系Y轴移动的二自由度并联举升机构。以旋量法为基础,对二自由度并联机构所对应的全部约束螺旋四系进行分析,得到了立体停车机器人并联举升机构所对应的约束螺旋四系,并获得了两种分支运动链。提出了分支约束三角形概念,解决了两种分支运动链不具备分支中心点导致并联机构沿Y轴移动自由度无法被约束的问题,得到了两种满足二自由度并联举升机构需求的并联机构。提出分支约束三角形灵活度概念,结合ADAMS虚拟样机对两种并联机构对比分析的结果以及所提出的基于失效概率的原动件选择方法,最终确定了立体停车机器人并联举升机构的构型。针对立体停车机器人并联举升机构进行尺度综合分析。对立体停车机器人并联举升机构进行运动学分析,通过逆运动学分析获得了机构的雅克比矩阵和机构的各种奇异位形,通过正运动学分析得到了机构的工作空间。在逆运动学分析雅克比矩阵基础上,提出了机构一致性评价指标,该指标能够反映出举升机构在分支运动链结构不完全对称情况下的运动一致性能。同时,基于逆运动学分析,针对立体停车机器人并联举升机构提出了机构奇异度评价指标。在正运动学分析基础之上,针对立体停车机器人并联举升机构提出了工作空间评价指标。结合以上三类指标,在结构参数可行域内得到立体停车机器人并联举升机构的最优结构参数。针对立体停车机器人并联举升机构的动力学问题,考虑了运动副间隙对机构动力学特性的影响。分析了间隙运动副的描述方法,在此基础上分析了不同接触理论下所描述法向接触力的特点,在改进Winkler接触理论和Flores接触力模型基础之上改进了法向接触力的接触刚度参数,得到了一种描述接触过程精度更高的改进接触力模型。建立了立体停车机器人并联举升机构的拉格朗日动力学方程,结合改进接触力模型,对不同驱动速度、不同间隙大小、不同间隙位置、不同恢复系数和不同负载条件下的考虑运动副间隙的立体停车机器人并联举升机构间隙动力学特性,为立体停车机器人并联举升机构的高精度控制、提高立体停车机器人并联举升机构稳定性提供了理论基础。在以上研究分析基础之上搭建了立体停车机器人并联举升机构实验模型,进行了不同条件下考虑运动副间隙的立体停车机器人并联举升机构实验模型动力学特性实验,验证了前述分析和研究的正确性。最后,搭建了立体停车机器人系统,完成了立体停车机器人举升及全方位运动实验,验证了立体停车机器人的有效性,为解决停车难问题提供了有效的解决方案。通过以上研究和分析,得到了适用于立体停车机器人的并联举升机构构型,优化了并联举升机构的结构尺寸参数,得到了在不同条件下并联举升机构的动力学特性,为提高立体停车机器人并联举升机构的安全性和稳定性提供了理论基础。


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