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基于变长度平行四边形的少自由度并联机构的研究

杨汝  
【摘要】:并联机构由于具有刚度好、惯量小、位置精度高等优点,在工业上得到广泛的应用。尤其是少自由度并联机构,与六自由度并联机构相比具有结构简单、易于控制和制造成本低等特点,通过将驱动器安装在机架上,采用轻质杆作为运动臂,从而可使末端执行器获得极高的速度和加速度,因而适合于完成生产线上快速地进行轻小物品抓放的任务。通过对适用于以上场合的少自由度并联机构进行分析发现其核心设计理念是采用平行四边形结构作为闭环子链,这可以确保末端执行器相对于定平台始终保持平动。基于平行四边形闭环子链的研究,本文首先提出了一系列基于变长度平行四边形结构的运动支链,即同步伸缩平行四边形闭环子链及其复合支链。它们通过一个电机控制平行四边形结构中一组对边的同步伸缩从而保证另外一组对边能够始终保持平行。变长度平行四边形结构不仅具有平行四边形闭环子链中特殊的平行几何关系,而且扩展了平行四边形闭环子链的应用范围。根据构型推演法,文中利用基于变长度平行四边形的运动支链得到了一系列少自由度并联机构,如:新型两平动、新型三平动和新型三平一转并联机构。相比现有的Diamond机构,Delta机构和X4机构等,新型结构具有结构紧凑、占地空间小和制造简单等优势。由于高阶运动学能够轻松解决闭环运动等式的简化和运算问题,因此在对以上含闭环子链的并联机构进行分析时,论文中引入了高阶运动学理论即基于螺旋理论的闭环速度等式,解决了以上并联机构自由度的计算问题,从而验证了新型少自由度并联机构推演的正确性。此外,通过简化的运动学模型,分析了新型少自由度并联机构的位置、速度、加速度和奇异性,并且仿真计算了新型少自由度并联机构的可达工作空间。根据新型两平动并联机构的刚体模型,建立了各个支链速度和加速度的数学模型,得到了各个支链的雅克比矩阵。基于虚功原理法,结合新型两平动并联机构运动学分析的结果,建立了机构的整体逆动力学模型。通过MATLAB软件进行数值仿真,得到了该新型两平动并联机构驱动力/力矩的变化曲线图。最后建造新型两平动并联机构的实验样机并且进行基于逆运动学的位置控制实验,验证机构的合理性和运动可行性。


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