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少自由度并联机构自由度分析中的若干关键问题研究

陈巧红  
【摘要】:自由度是并联机器人机构的核心本质属性,自由度分析是并联机器人机构学研究中的基础问题,然而对并联机构自由度的研究并非仅仅停留于得到机构的自由度数目和性质(转动或移动)这个层面,需要进一步深入研究。本文在国家自然科学基金项目“二元超冗余机器人构型综合及动力学特性分析研究”(No.50605055)和“基于拓扑特征的欠秩并联机构伴随运动评价与构型综合”(No. 50905167)的资助下,系统研究了少自由度并联机构的不完全转动自由度的转轴分布、自由度分岔和约束奇异等问题,主要研究内容如下: (1)系统地研究了不同分支布局下的3-PRS并联机构的转轴。根据分支平面和球铰中心点的几何关系,将3-PRS并联机构分成四大类七子类。提出了属于第三大类和第四大类的四种新型3-PRS并联机构。运用约束螺旋理论辨识出3-PRS并联机构的转轴。研究表明,连续转轴的存在依赖于分支平面和球铰中心点间的几何关系。研究结果同时澄清了关于3-PRS并联机构自由度性质的一些模糊的说法。 (2)系统地研究了具有Schoenflies运动的四自由度分岔并联机构的构型综合,给出了构建这类并联机构的几何布局条件、分支的位移流形以及对应的各种分支运动链,最后得到了多种具有Schoenflies运动的四自由度分岔并联新机构。 (3)运用螺旋理论研究了几种典型Schoenflies运动分岔并联机构的约束奇异,研究表明,动平台平行于定平台的初始位形是该类机构的一种约束奇异位形,从此奇异位形,动平台可分别实现两类Schoenflies运动。 (4)研究了一般3-~vP~vR~wR~vR~vR移动并联机构的约束奇异,指出一般3-~vP~vR~wR~vR~vR移动并联机构中存在两种约束奇异。第一种约束奇异位形下,动平台具有4个瞬时自由度;在第二种约束奇异位形下,动平台具有5个瞬时自由度。为避免约束奇异的发生,提出改变分支运动链的布置,构成正交3-~vP~vR~wR~vR~vR移动并联机构。该机构无约束奇异和运动学奇异,具有完全各向同性,而且可以选取3个固定于定平台上的移动副作为驱动,因此有非常好的应用潜力。 (5)利用三转两移和三转一移并联机构的自由度特性,去除分支雅可比矩阵中的冗余信息,构造满秩的5×5分支雅可比矩阵,进而建立整个机构的雅可比矩阵。该方法简单易行,为该类并联机构进一步性能分析和运动学设计提供有力工具,其思路也可适用于其他类型的少自由度并联机构。


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