第４６卷第５期２０１０年３月 机械工程学报 ＪＯＵ砌ＮＡＬＯＦＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧ仆陋ＥＲ玳Ｇ Ｖ０１．４６ＮＯ．５ Ｍａｔ．２０ｌＯ ＤｏＩ：１０．３９０１／ＪＭＥ．２０１０．０５．００８ 冗余驱动Ｔｒｉｃｅｐｔ并联机构的驱动优化宰 卿建喜李剑锋方斌 （北京工业大学北京市先迸制造技术重点实验室北京１００１２４） 摘要：对冗余驱动３自由度Ｔｆｉｃｅｐｔ并联机构的逆运动学和逆动力学进行分析，基于牛顿一欧拉法建立机构的逆动力学方程。针对冗余驱动方式下机构主动关节之间驱动力分配不唯一的特点，研究机构按预期轨迹运动时的驱动优化问题，提出最小化驱动器最大瞬时驱动功率和最大瞬时驱动力的优化方法。结合实例分析机构驱动力２范数优化、最小化最大驱动力优化和最小化最大驱动功率优化的效果。并与非冗余驱动方式进行对比。分析显示，冗余驱动能够较显著地降低驱动器的瞬时负载和瞬时输出功率，并可结合驱动力２范数优化、最小化最大驱动力以及最小化最大驱动功率的优化效果分析，选取适当的驱动方式以实现驱动器瞬时负载与瞬时输出功率的均衡与优化。 关键词：Ｔｒｉｃｅｐｔ并联机构冗余驱动动力学驱动优化 中图分类号：ＴＨｌｌ２．１ ＤｒｉｖｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＴｒｉｃｅｐｔＰａｒａｌｌｅｌＭｅｃｈａｎｉｓｍｗｉｔｈ ＲｅｄｕｎｄａｎｔＡｃｔｕａｔｉｏｎ ＱｒＮＧＪｉａｎｘｉＬＩＪｉａｎｆｅｎｇＦＡＮＧＢｉｎ （ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＢｅｉｊｉｎｇＭｕｎｉｃｉｐａｌｉｔｙ， ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１２４） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓａｎｄｉｎｖｅｒｓｅｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｔｈｅ３－ＤＯＦＴｆｉｃｅｐｔｐａｒａｌｌｅｌｍｅｃｈａｎｉｓｍｗｉｔｈｒｅｄｕｎｄａｎｔａｃｔｕａｔｉｏｎａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅｉｎｖｅｒｓｅｄｙｎａｍｉｃｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆＮｅｗｔｏｎ—Ｅｕｌｅｒａｐｐｒｏａｃｈ．Ｆｏｒｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｔｈａｔｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｃｔｉｖｅｊｏｉｎｔｓ’ｄｒｉｖｅｆｏｒｃｅｓｉｓｎｏｔｕｎｉｑｕｅｄｕｅｔｏｔｈｅｒｅｄｕｎｄａｎｔａｃｔｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅｄｒｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｔｒａｃｋｉｎｇａｎｔｉｃｉｐａｎｔｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｉｓｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｔｏｍｉｎｉｍｉｚｅｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｖａｌｕｅｓｏｆｄｒｉｖｉｎｇｐｏｗｅｒａｎｄｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅｏｆｊｏｉｎｔａｃｔｕａｔｏｒｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆ２一ｎｏｒｍｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｏｆｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅ，ｍｉｎｉｍａｘｖａｌｕｅｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｏｆｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅａｎｄｍｉｎｉｍａｘｖａｌｕｅ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｏｆｄｒｉｖｉｎｇｐｏｗｅｒａｌｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙ ｍｅａｎｓｏｆｓｅｖｅｒａｌｅｘａｍｐｌｅｓ，ａｎｄａｒｅｃｏｍｐ甜ｅｄｗｉｔｈ ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｎｏｎ－ｒｅｄｕｎｄａｎｔｄｒｉｖｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｅｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｒｅｄｕｎｄａｎｔａｃｔｕａｔｉｏｎｃａｌｌｅｖｉｄｅｎｔｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｄｒｉｖｅｆｏｒｃｅａｎｄｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｏｆｔｈｅａｃｔｕａｔｏｒｓ，ａｎｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｎｔｒａｓｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆ２－ｎｏｒｍｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｏｆｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅ，ｍｉｎｉｍａｘｖａｌｕｅｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｏｆｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅａｎｄｍｉｎｉｍａｘｖａｌｕｅｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｏｆｄｒｉｖｉｎｇｐｏｗｅｒ，ｔｈｅａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｄｒｉｖｅｍｅｔｈｏｄＣａｎｂｅｃｈｏｓｅｎｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅａｎｄｅｑｕｉｐｏｉｓｅｔｈｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅａｎｄｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｏｆｔｈｅａｃｔｕａｔｏｒｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＴｒｉｃｅｐｔｐａｒａｌｌｅｌｍｅｃｈａｎｉｓｍＲｅｄｕｎｄａｎｔａｃｔｕａｔｉｏｎＤｙｎａｍｉｃｓＤｒｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ０前言 Ｔｆｉｃｅｐｔ并联机构具有结构组成简洁、位置空间较大、刚度和动态特性较好等优点，作为混联运动机器的位置机构在装备制造业获得了成功应用。针 ?国家自然科学基金（６０２７５０３１）和北京市重点实验室开放基金（ＪＩ－１００１０１１２００８０１）资助项目。２００９０３１０收到初稿，２００９１０１６收到修改稿对该机构驱动器布位于３条ＵＰＳ支链移动副的非冗余驱动方式己发表了较多的研究文献，研究内容涉及机构的运动学和动力学分析０－４１、尺度参数优化【拍】以及该机构变异型的分析与综合【７】等。考虑到ＵＰ被动支链作为机构的组成支链之一，在其移动副处增置另一驱动器，可以在不增加机构复杂性的前提下，实现机构的冗余驱动且不改变其位置空间的形态。冗余驱动可以提高机构的承载能力、回避奇异位形、获得较好的刚度特性及较好动态性能【８。１０１。 万方数据
3-UPU并联机构误差影响敏感度 少自由度并联机器人基于自身特点,有着广泛的用途。本文针对少自由度并联家族中特殊的3自由度和4自由度3-UPU少自由度并联机构,对各类误差源进行了种类综合,运用空间坐标转换法,对3-UPU少自由度并联机构进行误差 分析,给出了具体的误差分析的模拟流程,对各类静态误差源引起的动平台位姿 误差进行了分析。运用空间坐标转换法以及闭环矢量法建立了理想以及各类误 差存在情况下的位姿转换矩阵。使用数值的方法对3-UPU并联机构位姿正解进 行计算和分析。从两个方面对由于静态误差引起的机器人操作误差作了分析。 第一,在误差不变的情况下,分析了随着时间的变化,机器人末端操作器的位姿误差;第二,运用概率分布相关理论,分析了各类误差源大小对机器人位姿误差大小的影响,得出了部分误差分布规律。由此,分析了各个位姿误差对误差源大小的 敏感性。比较分析了各类误差源对机构本身操作位姿的影响大小,对比3自由度和4自由度进行全面比较,分析二者之间的过渡关系。结果表明:4自由度3-UPU 并联机构,在误差作用下,z轴方向即定平台法线方向的转动误差敏感度都极高, 极易约束掉绕着z轴方向的转动,蜕变为3自由度平动并联机构。而3自由度平动机构,在各种误差源作用下,z轴方向的转动误差很小且敏感度很低,也就是说 3自由度平动3-UPU并联机构对z轴方向的转动自由度的约束稳定,受误差影响 不大。 同主题文章 [1]. 阎华,刘桂雄,郑时雄. 机器人位姿误差建模方法综述' [J]. 机床与液压. 2000.(01) [2]. 周学才. 机器人位姿误差的显著性分析法' [J]. 广东工业大学学报. 1995.(01) [3]. 蒲毅彬，吴紫旺，常小晓，廖全荣. CT在岩土实验中的数值分析' [J]. CT理论与应用研究. 1994.(03) [4]. 周学才，张启先. 机器人位姿误差的显著性分析法' [J]. 机械工程学报. 1994.(S1) [5]. 熊西文. 评《数值分析与计算》一书' [J]. 大连大学学报. 1994.(01) [6]. 高剑峰. 生化数值分析系统' [J]. 石河子大学学报(自然科学版). 1992.(01) [7].
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目录 摘要............................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................ I I 第1章绪论 . (1) 1.1 课题来源及研究背景和意义 (1) 1.1.1 课题来源 (1) 1.1.2 课题研究的背景和意义 (1) 1.2 并联机构的研究概况 (2) 1.2.1 并联机构的发展 (2) 1.2.2 并联机构的应用 (2) 1.2.3 平面并联机构研究概况 (6) 1.2.4 并联机构优化设计研究概况 (7) 1.2.5 并联机构动力学研究概况 (7) 1.2.6 并联机构控制策略研究概况 (8) 1.2.7 并联机构解耦策略研究概况 (9) 1.2.8 并联机构模态空间控制研究概况 (9) 1.3 本文主要研究内容 (10) 第2章平面冗余驱动机构结构参数优化 (11) 2.1 优化问题的提出 (11) 2.2 平面冗余驱动机构的运动学模型 (12) 2.2.1 平面冗余驱动机构位姿描述 (12) 2.2.2 平面冗余驱动机构的运动学反解 (13) 2.2.3 平面冗余驱动机构的运动学正解 (14) 2.2.4 平面冗余驱动机构的速度雅克比矩阵 (15) 2.3 优化问题的数学模型 (16) 2.3.1 优化假设 (16) 2.3.2 液压驱动系统总功率的数学建模 (16) 2.4 基于遗传算法的参数优化及分析 (20) 2.4.1 遗传算法简介 (20) 2.4.2 单个结构参数对液压驱动系统总功率的影响 (21) 2.4.3 约束条件 (24)
学号： 密级： 武汉东湖学院本科生毕业论文(设计) 三自由度并联机械手的设计 院(系)名称：机电工程学院 专业名称：机械设计制造及其自动化 学生姓名： 指导教师: 二〇一六年五月六日
郑重声明 我郑重声明：本人恪守学术道德，崇尚严谨学风，所呈交的学术论文是本人在老师的指导下，独立进行研究工作所取得的结果。除文中明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何他人已经发表和撰写过得内容。论文为本人亲自撰写，并对所写内容负责。 本人签名： 日期：2016年5月7号
摘要 随着机器人技术的快速发展，并联机械手的应用领域越来越广，已成为当今机器人领域新的研究热点。针对并联机械手机构比传统串联机械手更复杂的问题，本文以一种轻型高速的三自由度Delta 并联机械手为例，在完成其运动学的基础上，对并联机械手进行了建模以及装配。 首先，本文介绍了三自由度并联机械手机构的工作原理，并对其进行了运动学分析。其中，对机构的自由度进行的计算，采用几何法求得了其运动学正解以及其运动学逆解。其次，对机构进行了速度模型及雅克比矩阵的分析。实现了solidworks对机构的零部件与装配图三维建模。最后，通过个零部件的配合，实现了三自由度并联机械手的装配。 关键词：并联机械手；三自由度；3D建模
ABSTRACT With the rapid development of robot technology, parallel manipulator used more and more widely, has become the hot spot in the field of new robots today. In view of the parallel manipulator mechanism more complex than the traditional serial manipulator problem, based on a lightweight high-speed three degree of freedom parallel manipulator as an example, the Delta at the completion of its kinematics, on the basis of the parallel manipulator has carried on the modeling and assembly. First, this paper introduces the working principle of three degrees of freedom parallel manipulator mechanism, and carries on the kinematics analysis. Among them, the institution of degree of freedom for the calculation of geometric method is used to obtain the positive kinematics solution and its inverse kinematics solution. Second, the institutions for the velocity model and the Jacobi matrix analysis. Implements the solidworks for spare parts and assembly drawing 3 d modeling of the organization. Finally, by a spare parts, implements the three degree of freedom parallel manipulator assembly. Keywords: Parallel manipulator；Three degrees of freedom；3D modeling
平面2自由度并联机器人的运动学 和动力学研究 林协源1刘冠峰1 （1.广东工业大学广州） 摘要：本文面向高速高精LED电子封装设备设计了一种高速高精2自由度平面并联机构（2-PPa并联机器人）。该机构由一个动平台和两个对称分布的完全相同的支链组成，每个支链中都有一个移动副(驱动关节)和一个由平面平行四边形组成的特殊转动动副。首先推导出该机器人的运动学模型包括正反解；其次结合焊线机实际工艺要求提出多项机构性能指标对该机构的几何参数进行多目标优化；然后基于Euler-Lagrange 方程建立该机器人的动力学方程，最后通过算例分析两个移动副在动平台按照一定轨迹运动时其速度、加速度和驱动力的变化规律。这些为接下来研究该机器人的动态性能和系统解耦控制等都具有重要意义。 关键词：2自由度平面并联机器人运动学动力学 Kinematic and Dynamic Analysis of a Planar Two-degree-freedom Parallel Manipulator LIN Xieyuan1LIU Guanfeng1 （1.Guangdong University of Technology Guangzhou ） Abstract：In this paper，a type of planar 2-DOF parallel manipulator is proposed for uses in design of high- speed and high-accuracy LED packaging machines. The manipulator consists of a moving platform and two identical subchains. Each subchain is made of a prismatic joint (actuator) and a parallelogram with four passive revolute joints. We first derive the kinematic model of the manipulator. Then, we determine the optimal geometric parameters of the manipulator by solving a multi-goal optimization problem based on performance indices. We compute the dynamic equation use Euler-Lagrange formulation and use it to analyze the relationship between velocity, acceleration and driving torque of joints. This analysis is important for further study of the dynamic performance and the decoupling control methods for the manipulator. Key words:2-DOF Planar parallel manipulator Kinematics Dynamics 0 前言 在电子、包装和食品等轻工业场合中，机器人只需要3到4个自由度即可满足使用要求。串联机器人由于自身具有较大的质量和惯性，很难应用到需要高速高负载能力的场合。并联机器人很好的弥补了串联机器人这方面的不足。所以，近年来少自由度并联机器人的研究相当热门。其中3自由度并联机器人的研究已是相当深入[1-4]。在Z方向只需要较小的操作位移时，末端搭载一个1或2自由度的串联机构的2自由度并联机器人相对应3或4自由度的并联机器人会显得更加经济适用。 清华大学曽提出过两种平面2-DOF并联机器人：一种是PRRRP（P表示移动副，R 表示转动副）并联机器人，其中两移动副运动方向平行，且机器人的末端姿态是可变的[5]；一种是2-PPa（Pa表示平行四边形机构）并联机器人，同样，该机器人的移动副运动方向也平行，不过其末端姿态不可变[6]。文章[6]中的并联机器人最后应用在了立式机床上。同样的2-PPa并联机器人，上海交通大学将其应用在高速高精度的场合
三自由度3-CS并联平台机构的运动学分析 于靖军;毕树生;宗光华;黄真 【期刊名称】《航空学报》 【年(卷),期】2001(022)003 【摘要】With the development of parallel mechanisms research, spatial imperfect-DOF parallel mechanisms especially some constrained 3-DOF parallel mechanisms have received more attention for the advantages of their simple structure, easy control and low cost. In this paper, a novel model of constrained 3-DOF parallel manipulator—3-CS in-parallel platform mechanism is introduced firstly. The instantaneous possible motion characteristics for this mechanism are analyzed in detail by applying the screw theory. In addition, the first order kinematic analysis of the 3-CS mechanism is discussed thoroughly, which involves deriving three motion constraint equations for the output motions of the manipulator and formulating the kinematic influence matrix (also called Jacobian of the mechanism) reflecting the velocity relationship between three independent input motions and three independent output motions in a closed form. At last, the closed-form solutions are developed for both the inverse and forward position kinematics.%首先介绍了一种新型的并联机构——三自由度3-CS并联平台机构的模型。应用螺旋理论分析了该机构的瞬时运动。同时对该机构进行了运动学分析：给出了操作平台的输出运动参数的3个运动约束方程和3个独立输出运动参数与3个独
对四自由度并联机构分析 摘要：并联机构（Parallel Mechanism，简称PM），可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。机构有串联机构，并联机构，各有其优缺点. 关键词：并联机构；四自由度；分析 Analysis of a novel four -degree -of -freedom parallel mechanism Abstract：Parallel Mechanism is usually called for short PM, which can be defined as the mobile platform and the platform through at least two independent movements of the chain that can be connected. Agencies have series mechanisms, parallel mechanism, each have its advantages and disadvantages. Keywords：parallel manipulator; 4 –DOF;analysis 并联机构比起传统的串联机器人机构具有更高的刚度,更好的精度和承载能力,被广泛应用到航天器对接装置、雷达定向装置以及虚拟轴高速并联机床等领域,尤其是少自由度并联机器人机构还具有结构简单、控制方便等优点,被很多研究者关注,不断提出各种新型少自由度并联机器人机构并开展相应分析,在这些并联机构中,连接上下平台的支链主要为传统的串联支链, 由于杆长约束因素, 工作空间较小,无法满足一些特种机器人工作空间大、结构紧凑的要求. 由于平行四边形机构具有较好的缩放特性,有学者将其运用到并联机器人机构的结构综合中, Bruno和Jungw on等利用该机构设计了能够获得大工作空间的机器人操作平台, Nao -hi ro Hara将其应用在飞行机器人的机翼上改善了144%的升力, Grigore Gogu运用该机构设计出了一系列的各向同性的机器人机构, S bastien Briot设计了具有承载能力大、水平和垂直方向具有独立运动的机器人机构。 本文作者利用平行四边形及其特殊形状—菱形,演绎出具有大缩放比的平行四边形机构支链和菱形机构支链, 通过用菱形机构虚拟轴代替传统串联支链实轴的方法, 提出一种具有结构紧凑、工作空间大的新型四自由度并联机器人机构, 利用螺旋理论对该机构进行了自由度分析。 1 菱形机构设计 如图 1 所示,当菱形在运动变形过程中, 同一条虚直线上的各点只有沿直线方向上的相对运动. 取一个菱形, 如图 2 所示, 将其顶点用转动副连接, 则此菱
(E 辑) 第33卷第9期SCIENCE IN CHINA (Series E)2003年9月少自由度并联机器人机构的型综合原理* 黄真李秦川 (燕山大学机器人研究中心, 秦皇岛066004) 摘要通过分析少自由度并联机器人机构的结构约束螺旋特性和几何条件, 建立了 少自由度并联机器人机构型综合理论, 并用此对少自由度并联机器人机构进行了综合, 得到多种有应用前景的机构. 关键词并联机器人型综合设计理论 少自由度并联机器人是指自由度数为3,4和5的并联机器人, 可应用于许多适于并联机器人操作, 但不需要全部6个自由度的工作任务. 由于它们的自由度较少, 较六自由度并联机构结构简单, 经济便宜, 控制相对容易, 因此具有很好的应用前景, 是当前国际上的研究热点. 目前已有的少自由度并联机器人以三自由度并联机器人为主, 包括Delta[1]三自由度移动机构 工作空间和结构优化设计, 并设计了灵巧眼. 另外, Tsai[8]提出了几种三维移动机构, Huang[9]讨论了多种三自由度立方角台机构. 并联机器人的研究历史已超过20年, 但目前国际上已综合出的较好的少自由度并联机器人机构只有上述的Delta和Tsai等五六种. 少自由度并联机器人机型匮乏, 与实际应用中的广泛要求相距甚远. 这是由于少自由度并联机器人总体上具有比六自由度并联机器人更复杂的运动特性, 特别是动平台的移动受到约束后会表现出很多特殊的性质[10, 11], 这些问题增加了少自由度并联机器人型综合的难度. 少自由度并联机器人机构型综合的目的在于综合出具有期望自由度数目和自由度性质(指移动自由度或是转动自由度, 以及移动的方向或转动轴线的方向)的机构, 并确保这些自由度的运动性质是连续的而不是瞬时的. 对型综合一直没有行之有效的理论指导, 处于一种试拼试凑的最初级的状态. 目前一些人采用的一种简单的方法是在六自由度Stewart并联机构中直接添加约束分支, 约束掉不需要的自由度. 这增加了机构的复杂程度, 特别是破坏了机构的对称性, 一般说不是一个理想的设计. 理想的少自由度并联机构的所有分支最好具有完全相同的结构, 保持结构的对称, 以满足各向同性的要求. 而综合这类具有对称结构的机构难度极大, 其主要原因包括: ( ) 判断自由度性质更加困难, 现在国际上还没有任何理论涉及这个问题.(
并联机构运动学能分析与优化动力学
分类号：TH113.2+2 密级：公开 U D C：单位代码：10424 工程硕士学位论文 4-UPS-RPS并联机构运动学性能 分析与优化 孙先洋 申请学位级别：硕士学位领域名称：机械工程 指导教师姓名：陈修龙职称：副教授 副指导教师姓名：朱苏宁职称：高级工程师 山东科技大学 二零一三年五月
论文题目： 4-UPS-RPS并联机构运动学性能分析与优化 作者姓名：孙先洋入学时间：2011年9月 领域名称：机械工程研究方向：先进设计与制造技术 指导教师：陈修龙职称：副教授 副指导教师：朱苏宁职称：高级工程师 论文提交日期：2013年5月 论文答辩日期：2013年6月8日 授予学位日期：
KINEMATICS PERFORMANCE ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF 4-UPS-RPS PMT A Dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Sun Xianyang Supervisor: Associate Professor Chen Xiulong College of Mechanical and Electronic Engineering May 2013
声明 本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名： 日期： AFFIRMATION I declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Engineering in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been submitted for qualification at any other academic institute. Signature: Date:
试验研究现代制造工程2008年第3期 6/6 S PS型Ste wart并联机构运动学正解的研究* 周辉,曹毅 (江南大学机械工程学院,无锡214122) 摘要:对具有半对称结构的6/6 SPS型S te w art并联机构的运动学正解进行了研究。建立了一类具有半对称结构的6/6 SPS型S te w art并联机构运动学正解的数学模型,构造了一个关于该并联机构动平台位置参数及姿态参数的多元多项式方程组。基于该方程组并采用M athe m atica符号计算软件,编制了基于M athe m atica语言的6/6 SPS型Stewa rt并联机构运动学正解的求解程序,计算结果表明,对于任意给定的该并联机构的结构参数以及六个驱动杆杆长,该类6/6 SPS型Stew art并联机构的运动学正解在复数域内最多有28组解析解。并联机构运动学正解的研究为该类并联机构的工作空间分析、轨迹规划及控制奠定了重要的理论基础。 关键词:Ste w art机构;运动学正解;符号计算;M a t he m atica软件 中图分类号:TP242.2 文献标识码:A 文章编号:1671 3133(2008)03 0001 05 D irect kinem atics anal ysis of a speci a l class of the6/6 SPS Ste w artm ani pul ators Zhou H u,i Cao Y i (School ofM echan ica lEng i n eeri n g,Jiangnan Un i v ersity,W ux i214122,Jiangsu,CHN) Abstrac t:A ddresses t he direct kinem ati cs of a spec i a l c l ass of the6/6 SPS Ste w art m ani pulators i n wh i ch the mov i ng and base p l a tfor m s are t w o si m ilar sem isymm etr i ca l hex agons.A fte r proposi ng a m athe m atica lm ode l o f the d irect k i ne m atics of t h i s special class o f t he Ste w art m an i pu lators,a m ulti v ariate po lyno m ial equati ons se t i n the m oving p l atfor m pos iti on para m eters and or i enta ti on para m eters is constructed i n wh ich i npu t para m ete rs are geo m etric para m eters and the li nk length o f each li m b of t h is special class o f the6/6 SPS S te w art m an i pu lators.Based on t h ism ultivar i ate polynom ia l equa tions se t,an a l go rith m has been deve l oped inM a t he m a tica l anguag e for so lv i ng the d i rect k i ne m atics of t h is specia l c lass o f the6/6 SP S Stew artm anipulators by utilizi ng a sy m bo li c computati on so ft w are M athem ati ca,co m puta tion results first sho w tha t t he m ax i m u m number of the co m plete analytical so l uti on to t he direct k i ne m atic prob l em of t h is spec i a l class of t he6/6 SPS Stewart m an i pulators is up t o28i n the co m plex do m ain for any g i ven set of geo m etric para m eters and si x g iven li nk leng t hs o f the man i pu l a t o r cons i dered.D irec t k i ne m atic analysis o f th i s special c lass o f t he6/6 SPS Stewart m an i pu l a tors paves under l y i ng theoretical g rounds for the wo rkspace ana l y si s,pa t h p l ann i ng and contro l o f th i s specia l c lass o f the6/6 SPS S te w art m an i pu l a tors. K ey word s:Stewart m ani pulator;D irect kinem ati cs;Symbo lic co m putation;M athem ati ca so ft w are 0 引言 S te w art平台具有承载能力强、刚度好、无积累误差、精度高、系统动态响应快等特点[1],在飞行模拟器、机器人、新型机床等领域得到广泛应用。机器人运动学正解的研究在机器人机构学的研究中具有重要的地位,特别是对并联机器人机构,运动学正解问题一直是研究的难点和热点之一。国内外诸多学者分别采用数值法、解析法等对并联机构的运动学正解问题进行深入细致的研究[2 19]。但是,不难发现这些研究均是针对具有特殊结构形式的并联机器人机构,而对具有一般结构形式的6/6 SPS型S te w art并联机构的运动学正解,仅有少数学者进行了研究。 本文对具有半对称结构的6/6 SPS型S te w art并联机构的运动学正解进行了研究。建立了一类具有半对称结构的6/6 SPS型Ste w art并联机构运动学正 1 *国家自然科学基金资助项目(50275129);江南大学博士基金资助项目(207000-21050616)
并联机器人发展现状与展望 引言 并联机器人是一类全新的机器人,它具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等一系列优点,在21世纪将有广阔的发展前景。本文根据掌握的大量并联机器人文献,对其分类和应用做了简要分析和概括，并对其在运动学、动力学、机构性能分析等方面的主要研究成果、进展以及尚未解决的问题进行了阐述。 1并联机构的发展概况 （一）并联机构的特点 并联机构是一种闭环机构,其动平台或称末端执行器通过至少2个独立的运动链与机架相联接,必备的要素如下:①末端执行器必须具有运动自由度;②这种末端执行器通过几个相互关联的运动链或分支与机架相联接;③每个分支或运动链由惟一的移动副或转动副驱动。 与传统的串联机构相比，并联机构的零部件数目较串联构造平台大幅减少，主要由滚珠丝杠、伸缩杆件、滑块构件、虎克铰、球铰、伺服电机等通用组件组成。这些通用组件可由专门厂家生产，因而其制造和库存备件成本比相同功能的传统机构低得多，容易组装和模块化。 除了在结构上的优点，并联机构在实际应用中更是有串联机构不可比拟的优势。其主要优点如下： （1）刚度质量比大。因采用并联闭环杆系,杆系理论上只承受拉、压载荷,是典型的二力杆,并且多杆受力，使得传动机构具有很高的承载强度。 （2）动态性能优越。运动部件质量轻，惯性低,可有效改善伺服控制器的动态性能,使动平台获得很高的进给速度与加速度,适于高速数控作业。 （3）运动精度高。这是与传统串联机构相比而言的,传统串联机构的加工误差是各个关节的误差积累,而并联机构各个关节的误差可以相互抵消、相互弥补，因此，并联机构是未来机床的发展方向。 （4）多功能灵活性强。可构成形式多样的布局和自由度组合,在动平台上安装刀具进行多坐标铣、磨、钻、特种曲面加工等，也可安装夹具进行复杂的空间装配，适应性强，是柔性化的理想机构。 （5）使用寿命长。由于受力结构合理，运动部件磨损小，且没有导轨，不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤、磨损或锈蚀现象。 并联机构作为一种新型机构，也有其自身的不足，由于结构的原因，它的运动空间较小，而串并联机构则弥补了并联机构的不足，它既有质量轻，刚度大，精度高的特点，又增大了机构的工作空间，因此具有很好的应用前景，尤其是少自由度串并联机构，适应能力强，且易于控制，是当前应用研究中的一个新热点。 （二）并联机构的分类 从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构, 另可按并联机构的自由度数分类：