本文關(guān)鍵詞：一種五自由度混聯(lián)機(jī)器人靜柔度建模與設(shè)計(jì)方法研究

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【摘要】：本文密切結(jié)合國(guó)家發(fā)展航空航天和高端裝備制造業(yè)的重大需求,在國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目及高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助下,系統(tǒng)研究了5自由度混聯(lián)模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合、運(yùn)動(dòng)學(xué)性能評(píng)價(jià)、靜柔度建模、輕量化設(shè)計(jì)、剛體動(dòng)力學(xué)建模與伺服電機(jī)參數(shù)預(yù)估等問(wèn)題。全文取得如下創(chuàng)造性成果:在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合方面,以UPR-SPR和UP運(yùn)動(dòng)鏈為虛擬鏈,揭示了組成UPR-SPR型和UP型等效運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)中4自由度和5自由度分支運(yùn)動(dòng)鏈各運(yùn)動(dòng)副軸線需滿足的幾何條件,據(jù)此綜合出多種含冗余驅(qū)動(dòng)或過(guò)約束的1T2R三自由度位置型并聯(lián)機(jī)構(gòu)新構(gòu)型。在由2自由度轉(zhuǎn)頭及面對(duì)稱3-SPR并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成的5自由度混聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方面,建立了一般面對(duì)稱3-SPR并聯(lián)機(jī)構(gòu)位置逆解模型,揭示出其存在解析解時(shí)鏈中回轉(zhuǎn)副軸線的配置條件。在此基礎(chǔ)上,建立了一種具有解耦格式的雅可比矩陣,并構(gòu)造出一組取值介于[0,1]之間、無(wú)量綱、與坐標(biāo)系無(wú)關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能指標(biāo)。通過(guò)揭示機(jī)構(gòu)無(wú)量綱尺度參數(shù)對(duì)這組指標(biāo)的影響規(guī)律,構(gòu)造出滿足給定運(yùn)動(dòng)學(xué)性能、支鏈極限桿長(zhǎng)比和球副轉(zhuǎn)角等幾何與運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的尺度參數(shù)可行域。在上述混聯(lián)機(jī)器人靜柔度建模方面,提出一種考慮構(gòu)件重力場(chǎng)、以及構(gòu)件與鉸鏈靜柔度的末端變形半解析建模方法。該方法的建模手續(xù)可概括為:(1)建立關(guān)節(jié)力與末端外載荷及運(yùn)動(dòng)部件重力間的映射關(guān)系;(2)構(gòu)造計(jì)及運(yùn)動(dòng)部件自身分布重力的關(guān)節(jié)變形精確模型;(3)利用半解析法構(gòu)造支鏈在關(guān)節(jié)空間中的靜柔度矩陣。利用上述模型可快速計(jì)算出外載荷及運(yùn)動(dòng)部件重力引起的末端變形在工作空間中的分布規(guī)律。在上述混聯(lián)機(jī)器人輕量化設(shè)計(jì)方面,提出一種具有分層遞階格式的設(shè)計(jì)方法。該方法以2自由度轉(zhuǎn)頭與3-SPR并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度相匹配、支鏈驅(qū)動(dòng)與約束剛度相匹配、鏈中鉸鏈與支鏈體剛度相匹配為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,以末端靜剛度、制造工藝、構(gòu)件及運(yùn)動(dòng)副尺度關(guān)聯(lián)關(guān)系等為約束條件,以整機(jī)運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量最輕為目標(biāo),實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)。相應(yīng)設(shè)計(jì)流程的要點(diǎn)為:以整機(jī)低階固有頻率最高作為各子系統(tǒng)剛度系數(shù)匹配的依據(jù),首先將末端靜剛度分配給2自由度轉(zhuǎn)頭及鏈中各子裝配體,然后以分配給后者的剛度為約束,實(shí)現(xiàn)它們的輕量化設(shè)計(jì),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)。所提出的輕量化設(shè)計(jì)方法可在滿足靜剛度約束條件下,使得整機(jī)質(zhì)量最輕且具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性。在上述混聯(lián)機(jī)器人剛體動(dòng)力學(xué)建模與伺服電機(jī)參數(shù)預(yù)估方面,從構(gòu)造各部件的力旋量和速度旋量入手,提出一種建立3-SPR并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛體動(dòng)力學(xué)模型的方法。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)計(jì)算在給定加速度下的峰值力矩和折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量全域均值,提出一種合理選擇伺服電機(jī)參數(shù)的方法。上述成果不但已成功地用于指導(dǎo)一臺(tái)5自由度混聯(lián)機(jī)器人的數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì),而且對(duì)豐富和發(fā)展這類機(jī)器人的設(shè)計(jì)理論與方法,促進(jìn)其在我國(guó)航空制造中的應(yīng)用具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】：混聯(lián)機(jī)器人 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合 運(yùn)動(dòng)學(xué)性能評(píng)價(jià) 靜柔度建模 輕量化設(shè)計(jì) 伺服電機(jī)參數(shù)預(yù)估
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP242
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-16
• 字母注釋表16-24
• 第一章 緒論24-36
• 1.1 課題背景及研究意義24-27
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況27-34
• 1.2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合27-29
• 1.2.2 靜剛度建模29-30
• 1.2.3 剛體動(dòng)力學(xué)建模30-31
• 1.2.4 基于性能驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)31-34
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容34-36
• 第二章 1T2R位置型并聯(lián)機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合36-46
• 2.1 引言36
• 2.2 虛擬鏈與虛擬鏈法36-38
• 2.3 UPR-SPR型等效運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的綜合38-41
• 2.3.1 UPR-SPR虛擬鏈約束旋量系及其分解38
• 2.3.2 UPR-SPR-PM分支運(yùn)動(dòng)鏈綜合38-39
• 2.3.3 UPR-SPR-PM綜合39-41
• 2.4 UP型等效運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的綜合41-43
• 2.5 小結(jié)43-46
• 第三章 類Exechon機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)性能評(píng)價(jià)46-68
• 3.1 引言46
• 3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析46-60
• 3.2.1 系統(tǒng)描述與坐標(biāo)系建立46-49
• 3.2.2 位置逆解分析49-52
• 3.2.3 位置正解分析52-55
• 3.2.4 工作空間分析55-57
• 3.2.5 齊次量綱全雅可比矩陣57-60
• 3.3 性能評(píng)價(jià)60-67
• 3.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)60-61
• 3.3.2 尺度參數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)性能的影響規(guī)律61-63
• 3.3.3 尺度參數(shù)域設(shè)計(jì)準(zhǔn)則63-64
• 3.3.4 算例64-67
• 3.4 小結(jié)67-68
• 第四章 類Exechon機(jī)器人靜柔度建模68-98
• 4.1 引言68
• 4.2 2-DOF轉(zhuǎn)頭靜柔度建模68-74
• 4.2.1 坐標(biāo)系建立及姿態(tài)描述68-69
• 4.2.2 力分析69-72
• 4.2.3 變形分析72-73
• 4.2.4 靜柔度模型73-74
• 4.3 3-SPR并聯(lián)機(jī)構(gòu)靜柔度建模74-85
• 4.3.1 力分析75-78
• 4.3.2 變形分析78-79
• 4.3.3 靜柔度模型79-81
• 4.3.4 構(gòu)造(C|-)_(aa)、(C|-)_(cc)和(C|-)_(ac)81-84
• 4.3.5 構(gòu)造ρ''_(ta)和ρ''_(tc)84-85
• 4.4 整機(jī)靜柔度模型及重力傳遞特性85-86
• 4.5 算例86-95
• 4.6 小結(jié)95-98
• 第五章 類Exechon機(jī)器人輕量化設(shè)計(jì)98-132
• 5.1 引言98
• 5.2 設(shè)計(jì)思想與流程98-101
• 5.3 剛度匹配準(zhǔn)則101-105
• 5.3.1 轉(zhuǎn)頭與并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度匹配準(zhǔn)則101-102
• 5.3.2 球副與支鏈體裝配體剛度匹配準(zhǔn)則102-103
• 5.3.3 驅(qū)動(dòng)與約束剛度匹配準(zhǔn)則103-104
• 5.3.4 剛度匹配策略104-105
• 5.4 2-DOF轉(zhuǎn)頭響應(yīng)分析105-109
• 5.5 3-SPR并聯(lián)機(jī)構(gòu)響應(yīng)分析109-123
• 5.5.1 SPR支鏈結(jié)構(gòu)剖析109-111
• 5.5.2 構(gòu)件及運(yùn)動(dòng)副尺度關(guān)聯(lián)約束111-113
• 5.5.3 制造工藝約束113
• 5.5.4 支鏈體質(zhì)量響應(yīng)面擬合113-114
• 5.5.5 支鏈體剛度響應(yīng)面擬合114-115
• 5.5.6 3-SPR并聯(lián)機(jī)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律115-121
• 5.5.7 驅(qū)動(dòng)與約束剛度對(duì)末端靜剛度貢獻(xiàn)率分析121-123
• 5.6 算例123-129
• 5.7 小結(jié)129-132
• 第六章 類Exechon機(jī)器人剛體動(dòng)力學(xué)建模與伺服電機(jī)參數(shù)預(yù)估132-148
• 6.1 引言132
• 6.2 剛體動(dòng)力學(xué)建模132-144
• 6.2.1 速度分析133-136
• 6.2.2 加速度分析136-138
• 6.2.3 剛體動(dòng)力學(xué)模型138-144
• 6.3 伺服電機(jī)參數(shù)預(yù)估144-147
• 6.3.1 伺服電機(jī)峰值力矩預(yù)估模型144-145
• 6.3.2 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量校核模型145-146
• 6.3.3 算例146-147
• 6.4 小結(jié)147-148
• 第七章 全文結(jié)論148-150
• 7.1 結(jié)論148-149
• 7.2 工作展望149-150
• 參考文獻(xiàn)150-160
• 發(fā)表論文和參加科研情況說(shuō)明160-164
• 致謝164-165

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本文編號(hào)：858819