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基于约束力/矩的少自由度并联机构和串并联机构理论研究

胡波  
【摘要】: 对各种新型少自由度并联机构理论和实验研究是近年来国内外机器人领域中十分重要的研究方向和前沿技术。与6自由度并联机构相比,其本质不同在于少自由度并联机构存在结构约束,使机构的分支中出现了约束力/矩。当机构运动受到约束,其末端运动呈现耦合。由于结构约束的形式各异,使得少自由度并联机构在运动中表现出不同的运动特性。实际上,少自由度机构的很多性质都与约束形式有关。本文的研究工作主要基于约束力/矩开展少自由度并联机构和串并联机构的基础理论研究,旨在形成符合少自由度机构和串并联机构特点的创新理论体系。主要研究工作如下: 基于少自由度并联机构中存在的约束对这类机构展开运动学的研究。这类机构的约束主要体现在机构中出现的约束力/矩和几何约束方程上。基于机构中运动副布置,采用观察法判断这类机构中存在的约束力/矩的方位,根据约束力/矩的性质提出了建立这类机构Jacobian矩阵的新方法。并推导这类机构的Hessian矩阵。结合机构的约束方程,确立这类机构末端耦合关系。旨在建立这类机构简单、统一的运动学模型。 求解了少自由度并联机构新的静力映射矩阵的统一的解析表达式。研究了与这类机构新的静力传递矩阵和传统的速度传递矩阵的关系。结合建立的少自由度并联机构的静力传递关系和基于约束方程得到的机构的广义坐标,研究了对应广义力和广义坐标的这类机构的刚度模型。约束力/矩对这类机构的变形和刚度影响很大,但在以往研究中常被忽视,结合这类机构中存在的约束力/矩系统研究了这类机构的含约束力/矩的刚度和变形模型。 基于少自由度并联机构的约束力/矩,研究了这类机构的动力学模型。对这类机构不同结构的分支运动学进行了分析,旨在建立这类机构简单、统一的含约束力/矩的动力学模型。 基于约束的思想综合出了运动性质不同的多种新型少自由度并联机构,并采用建立的基于约束力/矩的通用理论模型对这些新型机构进行了分析,建立其相关理论模型。 研究了由2个少自由度并联机构串联而成的串并联机构的基础理论模型,建立了这类机构的统一的运动学、静力学和刚度模型。 研究了CAD变量几何法求解机构运动学、静力学和确定机构奇异和亚奇异位姿的新方法,将新方法用于串并联机构运动学、静力学、奇异和亚奇异位姿的求解和串并联机构工作空间的构造中。 采用可调式并联机构试验平台构建了一些新型的少自由度并联机构。并构建了4-SPS+SP并联机构样机的控制系统,将平台进行了调试和运动学试验。


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