6-3-3并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論與應(yīng)用研究

發(fā)布時間：2020-05-09 05:38

【摘要】： 本學(xué)位論文首先對并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論按結(jié)構(gòu)理論，運(yùn)動學(xué)分析，工作空間分析，奇異性分析，動力學(xué)分析定以及尺度綜合等6個主要研究專題進(jìn)行了綜述，闡述了各專題研究的意義及其內(nèi)在關(guān)系，指出了當(dāng)前并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)研究中尚未解決的問題。由于目前對6自由度6—3—3并聯(lián)機(jī)構(gòu)動力學(xué)建模及其相關(guān)專題研究鮮有報道，而該并聯(lián)機(jī)構(gòu)既具有輸出精度高、結(jié)構(gòu)剛性好、承載能力強(qiáng)、便于控制且部件簡單的優(yōu)點，又具有逆位置解簡單、唯一的特性，換言之，6—3—3并聯(lián)機(jī)構(gòu)既保留了一般并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點，又克服了一般并聯(lián)機(jī)構(gòu)正、逆向運(yùn)動學(xué)多解的弊端，從而使其基于逆位置解的機(jī)構(gòu)學(xué)專題研究易于貫徹且便于推廣應(yīng)用，因而應(yīng)用潛力很大。又由于系統(tǒng)建模與仿真是分析、設(shè)計和研究復(fù)雜系統(tǒng)的一種基本的理論方法和重要的技術(shù)手段，故本文使用計算機(jī)仿真方法，系統(tǒng)地研究了與6自由度6—3—3并聯(lián)機(jī)器人應(yīng)用相關(guān)的機(jī)構(gòu)學(xué)理論問題：運(yùn)動學(xué)分析、支鏈干涉與奇異性分析、工作空間分析、動力學(xué)分析以及尺度綜合等。其研究目的在于為該并聯(lián)機(jī)構(gòu)在精度高、動力性能好的場合的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。其研究思路是：先對該并聯(lián)機(jī)構(gòu)正、逆向運(yùn)動學(xué)分析和仿真專題展開研究，再基于該機(jī)構(gòu)逆運(yùn)動學(xué)分析對其支鏈干涉檢驗、奇異性分析和工作空間分析專題進(jìn)行研究，最后在前述研究基礎(chǔ)上展開其逆動力學(xué)分析和仿真專題以及尺度綜合專題研究。現(xiàn)將各專題研究的思路、方法和結(jié)論簡述如下： 1．6—3—3并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析：基于機(jī)構(gòu)學(xué)理論和6自由度6—3—3并聯(lián)機(jī)構(gòu)基本幾何關(guān)系結(jié)合MATLAB符號數(shù)學(xué)工具箱，推導(dǎo)得出了該并聯(lián)機(jī)構(gòu)位置正解方程組，進(jìn)一步將該非線性方程組的求解問題轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題：非線性最小二乘問題，提出了使用信賴域算法求解該優(yōu)化問題的方法并通過數(shù)值計算求出了該機(jī)構(gòu)有明確工程意義的正位置解。為該機(jī)構(gòu)基于正向位置解的運(yùn)動學(xué)標(biāo)定研究提供了基礎(chǔ)。在該機(jī)構(gòu)逆運(yùn)動學(xué)研究中，基于多體運(yùn)動學(xué)推導(dǎo)得出了該機(jī)構(gòu)逆運(yùn)動學(xué)方程，給出了該機(jī)構(gòu)具有“唯一逆解”的條件，證明了：該條件下其逆位置解的唯一性。通過MATLAB語言實現(xiàn)了該機(jī)構(gòu)逆運(yùn)動學(xué)仿真：即，滑塊的位移、速度和加速度仿真；支鏈桿質(zhì)心位移、速度和加速度仿真；支鏈桿角速度和角加速度仿真；動平臺質(zhì)心位移、速度和加速度仿真；動平臺角速度和角加速度仿真；以球鉸相聯(lián)的滑塊和支鏈桿相對角位移仿真以及以球鉸相聯(lián)的動平臺和支鏈桿相對角位移仿真等。通過仿真分析指出：6—3—3并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動時，各構(gòu)件加速度矢量一般不是零向量或常向量，因而有慣性力存在且慣性力矢量是機(jī)構(gòu)運(yùn)動位形的函數(shù)；各構(gòu)件角加速度矢量一般也不全是零向量或常向量，因而有慣性力偶矩存在且慣性力偶矩矢量是機(jī)構(gòu)運(yùn)動位形的函數(shù)。 2．6—3—3并聯(lián)機(jī)構(gòu)的支鏈干涉和奇異性研究：提出了該機(jī)構(gòu)支鏈干涉檢驗的動畫仿真方法；為實現(xiàn)該機(jī)構(gòu)的動畫仿真，先推導(dǎo)得出了6—3—3并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動時，其13個構(gòu)件的運(yùn)動方程，再基于其逆位置解在MATLAB平臺上開發(fā)了該機(jī)構(gòu)空間動畫仿真程序，該動畫檢驗法既避免了支鏈干涉檢驗常規(guī)方法——空間幾何法的理論復(fù)雜性，，又實現(xiàn)了支鏈干涉檢驗的可視化；通過動畫仿真，驗證了6—3—3并聯(lián)機(jī)構(gòu)因采用臺體型結(jié)構(gòu)，而使其6支鏈連桿在空間布置上有分層均布的特點減少了發(fā)生支鏈干涉的可能性。在該機(jī)構(gòu)奇異性研究中，證明了一般并聯(lián)機(jī)構(gòu)奇異性判別矩陣：一階影響系數(shù)矩陣與Jacobi矩陣的同一性，給出了并聯(lián)機(jī)構(gòu)奇異性判別矩陣的新形式；使用計算機(jī)仿真方法，將6—3—3并聯(lián)機(jī)構(gòu)奇異性檢驗范圍擴(kuò)大到一般空間——實現(xiàn)了動平臺以給定姿態(tài)，其形心作任意空間運(yùn)動時，該并聯(lián)機(jī)構(gòu)奇異性的檢驗；使用MATLAB語言開發(fā)了該機(jī)構(gòu)奇異性仿真程序，通過算例仿真指出：對6—3—3并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其動平臺運(yùn)動可具有一定的姿態(tài)變動能力，但當(dāng)姿態(tài)角有較大變動時會出現(xiàn)奇異性現(xiàn)象；而動平臺保持與靜平臺平行的定姿態(tài)平動時無奇異性現(xiàn)象出現(xiàn)；在6—3—3并聯(lián)機(jī)構(gòu)實際應(yīng)用時，應(yīng)按照實際任務(wù)軌跡進(jìn)行其奇異性檢驗。 3．6—3—3并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間研究：提出了6-3-3并聯(lián)機(jī)構(gòu)在給定姿態(tài)下工作空間分析的計算機(jī)仿真方法，該方法要點是：對給定的三維空間，不需拆解支鏈桿，只需使用三維搜索法遍歷該空間，基于該機(jī)構(gòu)逆位移解，結(jié)合滑塊運(yùn)動范圍、球鉸鏈半錐角最大值、奇異性條件和支鏈干涉動畫檢驗，即可排除該三維空間中位姿不可能點，同時顯示其中位姿可能點集——工作空間邊界三維圖形，作為推論還給出了使用工作空間截交面檢驗其內(nèi)部是否存在空腔的方法。為6—3—3并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計和軌跡規(guī)劃提供了基礎(chǔ)。 4．6—3—3并聯(lián)機(jī)構(gòu)逆動力學(xué)研究：基于剛體動力學(xué)牛頓-歐拉法推導(dǎo)出了該機(jī)構(gòu)逆動力學(xué)方程組，因該方程是系數(shù)矩陣為42×36的矩陣方程又提出了用矩陣QR分解求解該動力學(xué)方程組的方法，給出了其逆動力學(xué)仿真程序開發(fā)思路并通過MATLAB軟件加以實現(xiàn)，通過空載和有載荷作用兩種條件下的算例仿真和分析比較，驗證了該動力學(xué)模型的正確性。在實物樣機(jī)制造前，預(yù)測和改進(jìn)該并聯(lián)機(jī)構(gòu)動力學(xué)特性以及提高其設(shè)計效率和減少設(shè)計制造成本方面具有重要意義。 5．6—3—3并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用研究：先分析在目前汽車裝配線的模塊化裝配中，大件上線舉升設(shè)備合裝小車存在的不足——在對接中無自動找正功能而影響裝配效率，基于6—3—3并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)研究，指出以該機(jī)構(gòu)替代合裝小車則可以在舉升或吊裝對接過程中實現(xiàn)自動找正功能。結(jié)合該機(jī)構(gòu)在汽車總裝線實現(xiàn)大件吊裝的應(yīng)用功能要求，提出了基于功能滿足準(zhǔn)則的6—3—3并聯(lián)機(jī)構(gòu)尺度綜合優(yōu)化建模方法；從應(yīng)用的角度、以能實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的使用功能為準(zhǔn)則，即，主要以保證工作空間對任務(wù)軌跡的完整包容為準(zhǔn)則，建立了該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的尺度綜合優(yōu)化模型；并對基于該模型的一組解，使用前述幾章開發(fā)的仿真程序就其工作空間對任務(wù)軌跡的完整包容情況、與任務(wù)軌跡對應(yīng)的球鉸鏈實際半錐角范圍情況、與任務(wù)軌跡對應(yīng)的支鏈干涉和奇異性情況等進(jìn)行了檢驗，結(jié)果表明，6—3—3并聯(lián)機(jī)構(gòu)完全滿足生產(chǎn)線大件吊裝功能要求。
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