由于轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)跟轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)的方向和位置都有關(guān)系,多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度就具有多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn),若這些轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)交于一點(diǎn),那么這一點(diǎn)就稱(chēng)之為轉(zhuǎn)動(dòng)中心。對(duì)于存在轉(zhuǎn)動(dòng)中也的具有多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)來(lái)講,其轉(zhuǎn)動(dòng)中也處有可能是一個(gè)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)副與動(dòng)平臺(tái)等構(gòu)件相連接,但也有可能在其轉(zhuǎn)動(dòng)中也處不存在任何實(shí)際的運(yùn)動(dòng)副。這類(lèi)沒(méi)有實(shí)際運(yùn)動(dòng)副存在的轉(zhuǎn)動(dòng)中也可稱(chēng)之為虛擬運(yùn)動(dòng)中也(Virtuacenterofmotion,簡(jiǎn)稱(chēng)為VCM),具有YCM特性的并聯(lián)機(jī)構(gòu),可稱(chēng)之為VCM并聯(lián)機(jī)構(gòu)。雖然對(duì)于可轉(zhuǎn)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu),虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)中心是普遍存在的,但其虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)中也、大都具有瞬時(shí)特性。若并聯(lián)機(jī)構(gòu)存在一個(gè)相對(duì)固定的VCM,則會(huì)帶來(lái)相當(dāng)多的好處。例如,由于實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)中心的空缺,為安放復(fù)雜器件、系統(tǒng)、乃至患者的肢體提供了便利,這在微創(chuàng)外科手術(shù)、超聲波檢測(cè)成像、力反饋裝置、自動(dòng)化裝配作業(yè)、康復(fù)訓(xùn)練及機(jī)器人越障等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。而設(shè)計(jì)這類(lèi)VCM并聯(lián)機(jī)構(gòu)也是當(dāng)前機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。因此,接下來(lái),將針對(duì)以上兩個(gè)方面對(duì)具有多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入探討。

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2含接動(dòng)平臺(tái)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合方法

2.1相關(guān)理論基礎(chǔ)

接動(dòng)平臺(tái)是該類(lèi)型并聯(lián)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部分,由于具體的應(yīng)用要求不一樣,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就會(huì)有很大的差別。因此,較接動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)具有相當(dāng)?shù)膫�(gè)性化,沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的模式。值得說(shuō)明的是,不同的較接動(dòng)平就代表不同的拓?fù)錁?gòu)型,設(shè)計(jì)較接動(dòng)平臺(tái)在某種程度上也可以說(shuō)是設(shè)計(jì)動(dòng)平臺(tái)的拓?fù)錁?gòu)型。對(duì)于如圖2-2所示的拓?fù)錁?gòu)型,該步驟需要確定的是構(gòu)件TMP、5和C之間的連接方式。當(dāng)接動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)確定后,需要確定接動(dòng)平臺(tái)的哪些部分是需要連接支鏈的,然后再確定這些部分可能的位移子群/子流形。確定的原則是,各部分的位移子群/子流形通過(guò)相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果要保證構(gòu)件TMP具有給定的運(yùn)動(dòng)輸出。對(duì)于如圖2-2所示的拓?fù)錁?gòu)型,該步驟需要確定的所表示的位移子群/子流形。

2.2—種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合方法

基于旋轉(zhuǎn)呈理論或者位移李群理論的構(gòu)型綜合方法,己經(jīng)在綜合具有類(lèi)似于并聯(lián)機(jī)構(gòu)上馭得了很多成果。然而,并聯(lián)機(jī)構(gòu)還存在有其它的拓?fù)錁?gòu)型,如H4機(jī)構(gòu),其支鏈與真正的動(dòng)平臺(tái)(或末端執(zhí)行器)并沒(méi)直接相連,兩者之間還存在著其它的運(yùn)動(dòng)副。H4的動(dòng)平臺(tái)也稱(chēng)為較接動(dòng)平臺(tái),或稱(chēng)為具有可變結(jié)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)。引言中提到過(guò),H4機(jī)構(gòu)正是利用接動(dòng)平臺(tái)獲得了大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng)能為,這吸引了許多學(xué)者的關(guān)注,如郭盛等利用旋量理論綜合了具有與H4類(lèi)似的較接動(dòng)平臺(tái)的1R3T并聯(lián)機(jī)構(gòu)。本節(jié)將給出含有較接動(dòng)平臺(tái)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的一般拓?fù)洳季?并探討相應(yīng)的構(gòu)型綜合方法。在此之前,為例,先比較旋量理論和位樓李群理論兩種方法的差異。

3具有大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng)能力的2R2T與2R3T并聯(lián)機(jī)構(gòu)......43

3.1—種新型較接動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)......43
3.22R2T并聯(lián)化構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)......46
3.32R3T并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)......51
3.4運(yùn)動(dòng)學(xué)及相關(guān)性能分析......55
4具有大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng)能力的3R2T與3R3T并聯(lián)機(jī)構(gòu)......69
4.1新型較接動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)......69
4.2含第一類(lèi)動(dòng)平臺(tái)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)......72
5并聯(lián)VCM機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析......109
5.1幾種并聯(lián)VCM機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)......109
5.2應(yīng)用于康復(fù)領(lǐng)域的并聯(lián)VCM機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)......113
5.3運(yùn)動(dòng)學(xué)及相關(guān)性能分析.........121

6并聯(lián)VCM機(jī)構(gòu)的尺度綜合

6.1多目標(biāo)優(yōu)化相關(guān)問(wèn)題

并聯(lián)機(jī)器人的尺度綜合是指在一定的約束條件下,確保機(jī)器人具有良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)性能為目標(biāo),對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于并聯(lián)機(jī)器人具有較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較多的幾何參數(shù),以及在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通常涉及到多個(gè)性能指標(biāo),并且性能指標(biāo)與幾何參數(shù)呈現(xiàn)出髙度的非線(xiàn)性關(guān)系,因此尺度綜合一直是并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)領(lǐng)域的難點(diǎn)。本章將介紹如何利用基于Pareto的多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)某一踩關(guān)節(jié)康復(fù)并聯(lián)VCM機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺度綜合。為此,首先介紹了多目標(biāo)優(yōu)化和與Pareto相關(guān)的基本概念。其后,根據(jù)己有的差分進(jìn)化算法,提出了一種改進(jìn)的可用于多目標(biāo)優(yōu)化的差分進(jìn)化算法。利用改進(jìn)的優(yōu)化算法及提出的關(guān)于該并聯(lián)VCM機(jī)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化模型,進(jìn)行了數(shù)值實(shí)驗(yàn)。利用優(yōu)化設(shè)計(jì)所得到的一組參數(shù),建造了踩關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的樣機(jī)。

6.2差分進(jìn)化算法

擁擠距離指的是某前端中的某個(gè)體與該前端中其他個(gè)體之間的距離,用來(lái)表征個(gè)體之間的擁擠程度。擁擠距離一般在目標(biāo)空間進(jìn)斤計(jì)算,由于存在多個(gè)目標(biāo)函數(shù),需要對(duì)每一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行一次擁擠距離的計(jì)算,再將這些擁擠距離相加就可得到變量個(gè)體的擁擠距離。在對(duì)某個(gè)目標(biāo)進(jìn)行擁擠距離計(jì)算時(shí),對(duì)于該目標(biāo)兩端(即目標(biāo)函數(shù)的最大值和最小值)所對(duì)應(yīng)的個(gè)體的擁擠距離可設(shè)為最大,其余個(gè)體的擁擠距離可由其相鄰的兩個(gè)個(gè)體在該目標(biāo)函數(shù)上的距離算出。因此,擁擠距離的值越大,個(gè)體間就越不擁擠。
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7結(jié)論

針對(duì)具有多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中所面臨的一些問(wèn)題,本文從兩個(gè)方面研究了多轉(zhuǎn)動(dòng)自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)、分析與應(yīng)用。一方面針對(duì)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)易與支鏈發(fā)生干涉,導(dǎo)致并聯(lián)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度普遍偏小的問(wèn)題,提出通過(guò)設(shè)計(jì)新型的較接動(dòng)平臺(tái)的方法來(lái)提高并聯(lián)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力。據(jù)此,本文分別綜合設(shè)計(jì)了一類(lèi)含有螺旋副且可進(jìn)行兩自由度或三自由度大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)、一類(lèi)可應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)床或多軸3D打印等應(yīng)用的2R3T和2R2T并聯(lián)化構(gòu)及數(shù)個(gè)可應(yīng)用于復(fù)雜裝配或拾取等操作任務(wù)的3R3T和3R2T并聯(lián)機(jī)構(gòu)。另一方面針對(duì)在輔助超聲波成像或踩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練等醫(yī)療領(lǐng)域,對(duì)具有多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)還存在特殊的需求,即要求具有虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)中也,設(shè)計(jì)了不同類(lèi)型且可滿(mǎn)足相關(guān)應(yīng)用要求的三轉(zhuǎn)動(dòng)自由度并聯(lián)VCM機(jī)構(gòu)。其中一個(gè)可應(yīng)用于裸關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的并聯(lián)VCM機(jī)構(gòu)為例,探討了該類(lèi)并聯(lián)VCM機(jī)構(gòu)的尺度綜合問(wèn)題，，以及通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化算法求解的具體實(shí)施步驟,并根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得的設(shè)計(jì)參數(shù),建造了踩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練樣機(jī),進(jìn)行.了初步實(shí)驗(yàn)。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：150145