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无耦合三分支二移动并联机器人机构的设计与分析

陈子豪  
【摘要】:两自由度移动并联机器人机构作为并联机构中自由度最少、结构最为简单的机构类型,在平面加工设备中具有良好的应用前景。论文系统研究了无耦合三分支二移动并联机器人机构的型综合方法,并对新型2-CPR/RRR并联机构的运动学、动力学和优化设计等方面的内容进行了研究。论文提出了一种新型含有纯约束分支的无耦合平面移动并联机器人机构的型综合方法。根据驱动力螺旋理论建立了机构主动分支的结构综合准则,基于约束螺旋理论建立了机构约束分支的结构综合准则,并完成分支运动链的结构综合。利用所提出的机构型综合方法实现了三分支二自由度移动并联机器人机构的型综合和创新设计,综合出3058种无耦合平面移动并联机器人机构,包括78种机构不含有惰性运动副。研究了新型2-CPR/RRR并联机器人机构运动学与奇异性。基于螺旋理论分析了对机构自由度和运动特性。利用矢量消元法和求导的方式推导出机构的位置、速度和加速度方程,借助于ADAMS和MATLAB软件进行仿真分析,验证了理论方法的正确性。同时,基于螺旋理论讨论了机构的奇异性。建立了新型2-CPR/RRR并联机器人机构的静力学和动力学方程。基于虚功原理建立了机构静力学方程,揭示了主动关节驱动力与施加在动平台上的外力之间的关系。基于拉格朗日方程法建立了机构的动力学方程,探寻主动关节驱动力与机构运动间的关系。利用ADAMS和MATLAB软件对机构静力学和动力学进行仿真,验证了理论分析的正确性。分析了新型2-CPR/RRR型并联机器人机构工作空间并进行结构优化设计。利用搜索法绘制出机构的工作空间形状,分析了结构参数对机构工作空间大小的影响。以工作空间最大化为目标函数,基于粒子群算法对机构的结构尺寸进行了优化设计。论文研究成果进一步完善了无耦合并联机器人机构型综合的理论方法,也为无耦合三分支二移动并联机器人机构的创新设计和样机开发奠定了理论基础。


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