發(fā)布時(shí)間：2020-08-06 17:37

【摘要】：傳統(tǒng)剛性并聯(lián)機(jī)構(gòu)雖然具有較大的剛度和較高的控制精度,但其姿態(tài)空間小,這使其在工作空間比較狹窄的環(huán)境或者對柔順性要求比較高的場合適應(yīng)能力較差。本文提出一種大角度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu),利用柔性支腿受力在空間中產(chǎn)生大曲率大撓率彎曲變形的致動(dòng)機(jī)理,實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺大角度轉(zhuǎn)動(dòng),擴(kuò)展姿態(tài)空間;融合運(yùn)動(dòng)冗余變剛度機(jī)制,進(jìn)而打破傳統(tǒng)剛性并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度大且調(diào)節(jié)范圍小的限制,具有極大的研究意義。論文首先就大角度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)大變形柔性致動(dòng)問題展開分析,基于這個(gè)空白的具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)難點(diǎn),提出了針對柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)的偽剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,即利用線解耦理論及條件數(shù)指標(biāo)優(yōu)化確定結(jié)構(gòu)參數(shù)。之后分析不同鉸接形式下柔性支腿本構(gòu)方程及其邊界條件,針對求解柔性支腿常微分本構(gòu)方程解析解困難的問題,本文采用打靶法求其數(shù)值解,并詳細(xì)分析了打靶法中各參數(shù)對算法求解精度和效率的影響,為后續(xù)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模奠定基礎(chǔ)。在掌握單根柔性支腿本構(gòu)方程的基礎(chǔ)上,展開對大角度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。由于柔性支腿本構(gòu)方程的非線性,柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型除了具有與剛性并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)行學(xué)相同的位置向量閉環(huán)方程外,還需添加力約束方程、鉸接約束方程才能求解。對比分析利用打靶法求解運(yùn)動(dòng)學(xué)反解和正解的精度。在運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上,利用二分法遍歷得到柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)位置工作空間和姿態(tài)空間。分析柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)靜力學(xué)問題時(shí),采取將一條柔性支腿等效為三個(gè)沿全局坐標(biāo)系的一組正交彈簧的方法,提出虛擬雅可比矩陣概念,進(jìn)而完成對柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)靜力學(xué)數(shù)學(xué)模型的建立。在靜力學(xué)的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)得到單根柔性支腿剛度矩陣,利用虛功法將單根支腿剛度矩陣映射到全局得到柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)整體剛度矩陣,并用齊次剛度條件數(shù)指標(biāo)和齊次平均剛度指標(biāo)評價(jià)柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度空間分布情況。之后對柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)變剛度機(jī)理展開研究。最后,根據(jù)構(gòu)型參數(shù)搭建大角度柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)本體樣機(jī)和測量裝置,通過實(shí)驗(yàn)對運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和剛度理論進(jìn)行綜合驗(yàn)證。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH112
【圖文】：

調(diào)節(jié)整體剛度為目標(biāo)，對其運(yùn)動(dòng)學(xué) 靜力學(xué) 剛度展開分析，并探索運(yùn)余變剛度機(jī)理 機(jī)器人不僅能夠代替人類完成機(jī)械性和危險(xiǎn)系數(shù)高的工作 在工業(yè)生產(chǎn)助人類提高效率，還能在一些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)比人類更高的工作精度，具有巨大際應(yīng)用價(jià)值[1] Robinson 等人[2]在 1999 年提出將機(jī)器人分為三大類型：離機(jī)器人 蜿蜒型機(jī)器人以及柔性連續(xù)型機(jī)器人 離散型機(jī)器人，由離散的剛性桿和關(guān)節(jié)組成，其結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出離散特性，依賴關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)或者直線驅(qū)動(dòng) 離散型機(jī)器人整體的運(yùn)動(dòng)控制是通過對每節(jié)的驅(qū)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)的，其中連桿構(gòu)成機(jī)器人的本體，確定各個(gè)關(guān)節(jié)間位置[3]，見圖 1-1 離散型機(jī)器人分為串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人，串聯(lián)機(jī)器人結(jié)單 控制容易 成本低，但其承載能力弱 誤差逐級累積；并聯(lián)機(jī)器人精 剛度大 承載能力強(qiáng)，但因其轉(zhuǎn)動(dòng)角度有限，運(yùn)動(dòng)空間小且具有耦合特性制復(fù)雜[4] 總體來看，離散型機(jī)器人只有有限個(gè)關(guān)節(jié)數(shù)量，這使得其運(yùn)動(dòng)自有限，因此在工作空間比較狹小的環(huán)境或者對柔順性要求比較高的場合適力較差

移動(dòng)[5] 蛇形機(jī)器人是蜿蜒型機(jī)器人的典型代表，被各國研究學(xué)者廣泛深入研究，如圖 1-2 所示 但是蜿蜒機(jī)器人輸出效率低，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)效果不佳，大多只具有平面運(yùn)動(dòng)能力，三維空間運(yùn)動(dòng)能力差 尤其是當(dāng)蜿蜒機(jī)器人遇到低矮障礙，或外界干擾引起身形發(fā)生大幅度變化時(shí)，很難順利完成翻越動(dòng)作或調(diào)節(jié)自身體形適應(yīng)環(huán)境向前運(yùn)動(dòng) 此外，蜿蜒型機(jī)器人軀干尺寸大，無法做到微小模式[6] 柔性連續(xù)型機(jī)器人采用 無脊椎 柔性結(jié)構(gòu)，機(jī)器人采用形狀可以靈活改變的繩索或柔性支柱進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，不具有任何離散關(guān)節(jié)和剛性連桿[7]，如圖 1-3 所示 傳統(tǒng) Stewart 并聯(lián)機(jī)構(gòu)為保證安全性能和可靠性，動(dòng)平臺運(yùn)動(dòng)角度受限，但由于柔性支腿可以發(fā)生任意角度彎曲，擁有優(yōu)良的彎曲性能，使得柔性機(jī)器人能夠根據(jù)環(huán)境障礙物的狀況而靈活改變自身形狀，極大程度地?cái)U(kuò)大了運(yùn)動(dòng)空間對工作空間受限的環(huán)境和柔順性能要求高的場合具有獨(dú)特的適應(yīng)能力 但由于柔性支腿的細(xì)長結(jié)構(gòu)，柔性機(jī)器人一直被設(shè)計(jì)成串聯(lián)或混聯(lián)形式[8]，需要加一系列的支撐環(huán)維持形狀和剛度，不僅增加了機(jī)器人結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，使得多自由度彎曲控制變得困難，而且由于類似串聯(lián)式的結(jié)構(gòu)限制，柔性機(jī)器人負(fù)載能力較差，這在一定程度上限制了機(jī)器人的工作空間與工作條件

移動(dòng)[5] 蛇形機(jī)器人是蜿蜒型機(jī)器人的典型代表，被各國研究學(xué)者廣泛深入研究，如圖 1-2 所示 但是蜿蜒機(jī)器人輸出效率低，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)效果不佳，大多只具有平面運(yùn)動(dòng)能力，三維空間運(yùn)動(dòng)能力差 尤其是當(dāng)蜿蜒機(jī)器人遇到低矮障礙，或外界干擾引起身形發(fā)生大幅度變化時(shí)，很難順利完成翻越動(dòng)作或調(diào)節(jié)自身體形適應(yīng)環(huán)境向前運(yùn)動(dòng) 此外，蜿蜒型機(jī)器人軀干尺寸大，無法做到微小模式[6] 柔性連續(xù)型機(jī)器人采用 無脊椎 柔性結(jié)構(gòu)，機(jī)器人采用形狀可以靈活改變的繩索或柔性支柱進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，不具有任何離散關(guān)節(jié)和剛性連桿[7]，如圖 1-3 所示 傳統(tǒng) Stewart 并聯(lián)機(jī)構(gòu)為保證安全性能和可靠性，動(dòng)平臺運(yùn)動(dòng)角度受限，但由于柔性支腿可以發(fā)生任意角度彎曲，擁有優(yōu)良的彎曲性能，使得柔性機(jī)器人能夠根據(jù)環(huán)境障礙物的狀況而靈活改變自身形狀，極大程度地?cái)U(kuò)大了運(yùn)動(dòng)空間對工作空間受限的環(huán)境和柔順性能要求高的場合具有獨(dú)特的適應(yīng)能力 但由于柔性支腿的細(xì)長結(jié)構(gòu)，柔性機(jī)器人一直被設(shè)計(jì)成串聯(lián)或混聯(lián)形式[8]，需要加一系列的支撐環(huán)維持形狀和剛度，不僅增加了機(jī)器人結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，使得多自由度彎曲控制變得困難，而且由于類似串聯(lián)式的結(jié)構(gòu)限制，柔性機(jī)器人負(fù)載能力較差，這在一定程度上限制了機(jī)器人的工作空間與工作條件

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6 許華e

本文編號：2782741