机构工作空间分析

《参数化机构输出工作空间立体分析软件设计》篇一一、引言随着现代工业自动化和机械系统的发展，机构输出工作空间的分析变得越来越重要。

参数化机构输出工作空间立体分析软件设计旨在为工程师和设计师提供一个高效、准确的工具，以评估和分析机构的工作空间。

本文将详细介绍该软件的设计思路、功能特点以及应用价值。

二、软件设计目标本软件设计的核心目标是实现机构输出工作空间的立体分析，以满足工程师和设计师在实际工作中的需求。

具体目标包括：1. 提供直观的界面，方便用户操作。

2. 支持多种机构类型，包括但不限于连杆机构、齿轮机构等。

3. 实现工作空间的参数化分析，支持用户自定义参数。

4. 提供立体分析功能，以便用户更直观地了解机构的工作空间。

5. 具备数据导出功能，方便用户将分析结果导入其他软件或进行后续处理。

三、软件功能特点本软件具备以下功能特点：1. 界面友好：采用直观的用户界面，方便用户快速上手。

2. 参数化设计：支持用户自定义机构参数，满足不同需求。

3. 多种机构类型：支持连杆机构、齿轮机构等多种机构类型，满足不同场景的需求。

4. 立体分析：通过三维图形展示机构的工作空间，使用户更直观地了解机构性能。

5. 数据导出：支持将分析结果导出为常见格式，方便用户进行后续处理。

四、软件架构设计本软件采用模块化设计，主要包括以下几个模块：1. 界面模块：负责用户界面的设计，包括菜单、工具栏、控件等。

2. 参数输入模块：用于接收用户输入的机构参数，如尺寸、角度等。

3. 机构建模模块：根据用户输入的参数，自动生成机构的模型。

4. 工作空间分析模块：对机构进行工作空间分析，包括参数化分析和立体分析。

5. 结果展示模块：将分析结果以图表、三维图形等形式展示给用户。

6. 数据导出模块：将分析结果导出为常见格式，如CSV、PDF等。

五、软件实现与优化在软件实现过程中，需要注意以下几点：1. 采用高效的算法，确保软件运行速度和准确性。

2. 对界面进行优化，提高用户体验。

并联机构工作空间方法的分析引入并联机构的定义以及其具有的优点。

相对串联机构，并联机构刚性好，具有高的稳定性;惯性较小、动态响应好、累积误差小等特点成为学者的研究热点。

并联机构的工作空间是机构性能的重要指标。

文中总结并联机构工作空间求解的方法以及各种方法的特点及区别，为并联机构的应用和研究提供理论意义和实用价值。

标签：并联机构;工作空间;求解方法并联机构是机械、电子及计算机控制相结合的产物，是机器人学的一个重要分支。

并联机构的定义：由2个或2个以上的独立运动链连接动平台和静平台，通过并联方式驱动的闭环系统。

与串联机构相比，并联机构具有的优点：闭环支链结构刚度大，稳定性较好;运动惯性小、动态响应快、累积误差小、精度较高等;其中对于完全对称的并联机构具有较好的各向同性，可以避开机构的奇异点等，使得并联机构得到广泛的应用及发展[1]。

最早并联机构由学者Stewart提出的6自由度Stewart平台机构，该机构具有输出精度高，承载能力强以及易于控制，将其应用在飞行三维空间模拟器中。

由学者Fichter和Sugimoto将此平台用于操作器和力矩传感器。

并联机构中包含一类自由度小于6称少自由度并联机构，为并联机构中的重要分支[2]。

相对于6自由度并联机构，少自由度并联机构具有结构简单、造价低，易于控制优点。

Hunt提出一种3自由度并联平台机构，该并联机构动平台末端输出为2个转动自由度和1个移动自由度。

Gosselin提出了平面和球面3自由度机器人。

黄真和赵铁石综合出一种4-URU对称4自由度并联机构，可以实现3个移动自由度和1个转动自由度。

少自由度并联机构适合应用在模块化可重组制造系统中。

可用来构造串、并联机构、微动机构特殊用途机器人，从而进一步促进并联机构的实用性。

1 并联机构工作空间的定义及分类并联机构的工作空间定义[3]为：当给并联机构的驱动构件输入驱动时，动平台输出末端的参考点的所有运动区域，也即为此并联机构的工作空间。

0引言与串联机构相比，并联机构具有更高的推重比、结构刚度、控制精度和更低的惯性等优点，因此得到了更广泛的关注[1，2]。

并联机构的工作空间是指并联机构末端执行器的工作范围，工作空间是并联机构性能的重要指标，因此它的研究尤为重要。

并联机构的机构紧凑，因而工作空间范围比较小，所以并联机构工作空间的研究相对于串联机构来说难度较大，研究并联机构工作空间的方法很多，运用最广泛的是数值法和解析法。

在数值法研究方面，主要有Tocobi法、网格法、优化法和蒙特卡洛法，这几种方法都需要固定末端执行器姿态，在利用位置反解方可求出机构的工作空间，因而这几种方法的求解效率和精度较低。

最具代表性的是Fichter研究了6自由度并联机构的工作空间[3]，利用的是并联机构的位置反解方程，固定3个位姿参数和一个位置参数，而让其他两个参数变换的方法。

在解析法方面最具代表性的是几何法，利用几何法求解并联机构的工作空间是最精确的，因为几何法是要求出并联机构工作空间的边界曲线，因此几何法工作量相对而言较为复杂烦琐。

1990年Gosselin利用几何法推导出了6-SPS并联机构工作空间的边界曲线[4]。

除以上几种分析方法外，还有许多学者利用软件对并联机构的工作空间进行分析，其中MATLAB中的SimMechanics模块就提供了分析工作空间的平台。

SimMechanics是MATLAB中的一个软件包，可以对很多机构进行建模和仿真[5，6]，王国明等就利用SimMechanics模块对二自由度串联机构进行系统的建模和仿真[7]。

然而复杂的并联机构在利用SimMechanics建立模块并设置参数时容易出错。

Solidworks具有强大的实体建模能力，所以通过Solidworks与MATLAB相连接，在Solidworks 中建模，并将模型导入MATLAB中，MATLAB会自动生成模型和各个构件的数据，这样就能更有效更快捷的建立SimMechanics模型[8]。

并联机构工作空间方法的分析
并联机构是机构中的一种重要形式，由多个并联的杆件和连接件组成，具有灵活性强、工作空间大的特点。

并联机构是机械装置中最常见的一种形式，广泛应用于各个领域。

分析并联机构的工作空间方法，可以采用几何方法或者代数方法进行计算。

几何方法
一般是通过几何关系来计算工作空间的位置和范围，而代数方法则是通过建立机构的运动
学方程来计算工作空间。

一、几何方法的分析
1. 几何约束方法：通过机构的几何特性来分析其工作空间。

对于一个平行四边形构
成的并联机构，可以通过几何约束来计算出杆件的运动范围，从而确定工作空间的位置和
范围。

2. 图形法：通过绘制机构的运动图形或者使用CAD软件进行仿真，来直观地分析并确定工作空间。

图形法可以直观地表示机构的运动轨迹，对于空间位置的分析非常有效。

二、代数方法的分析
1. 运动学方程法：通过建立机构的运动学方程，利用矢量分析和运动链分析来计算
机构的工作空间。

运动学方程法要求对机构的运动学特性有一定的了解，可以通过数学计
算来得出机构的工作空间。

在分析并联机构的工作空间方法中，几何方法和代数方法是最常用的两种方法。

几何
方法简单直观，适用于对机构的整体结构和几何特性进行分析；而代数方法则更加精确，
适用于对机构的运动学特性和运动轨迹进行分析。

无论采用哪种方法，都需要对并联机构
的结构和运动学特性有一定的了解，才能准确地分析其工作空间。