1引言

在得到機(jī)械結(jié)構(gòu)后,需要對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能分析以驗(yàn)證是否滿足任務(wù)要求。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能指標(biāo)主要包括工作空間、奇異性和剛度等。在分析并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間,由于很難通過(guò)解析的方法去進(jìn)行表達(dá),目前通常采用的是數(shù)值計(jì)算的方法。其主要思想是將可能的工作空間離散化,然后對(duì)離散點(diǎn)逐一判斷是否滿足約束條件(比如關(guān)節(jié)行程約束,奇異約束等等),最后得到可行區(qū)域。由于多條并聯(lián)支鏈間的相互約束,并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間,尤其是轉(zhuǎn)動(dòng)工作空間通常較小,這是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的一個(gè)主要缺點(diǎn)。為増大并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間,一些學(xué)者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面另辟搜徑,比如在支鏈中采用平行四邊形結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)較接動(dòng)平臺(tái)等方法,得到了一些具有較大工作空間的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)雅可比矩陣建立的是輸入速度和輸出速度間的映射關(guān)系,其在機(jī)構(gòu)的奇異位形、靈活度、剛度等性能分析中發(fā)揮了重要的作用。其建立主要有兩種方法,即對(duì)閉環(huán)矢方程求導(dǎo)的方法和基于螺旋理論的方法。將對(duì)閉環(huán)矢方程求導(dǎo)后得到方程整理成矩陣的形式,可根據(jù)得到的矩陣方程將并聯(lián)機(jī)構(gòu)的奇異分為逆運(yùn)動(dòng)奇異、正運(yùn)動(dòng)奇異和組合奇異。而參照基于攝旋理論的雅可比矩陣建立方法,并聯(lián)機(jī)構(gòu)的奇異可以分為支鏈奇異、平臺(tái)奇異和驅(qū)動(dòng)奇異。支鏈奇異對(duì)應(yīng)的是機(jī)構(gòu)中某一支鏈中的運(yùn)動(dòng)螺旋系降秩;平臺(tái)奇異對(duì)應(yīng)的是所有支鏈產(chǎn)生的約束螺旋系降秩,因此也可稱(chēng)作約束奇異;驅(qū)動(dòng)奇異對(duì)應(yīng)的是驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)旋系降秩。

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2可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

2.1李群理論及螺旋理論簡(jiǎn)介

由于螺旋在表示剛體運(yùn)動(dòng)和約束時(shí)的對(duì)偶關(guān)系,應(yīng)用螺旋理論對(duì)空間機(jī)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)型綜合及運(yùn)動(dòng)分析。利用螺旋理論進(jìn)行并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合的一般步驟如下:1.根據(jù)目標(biāo)機(jī)構(gòu)的自由度要求,寫(xiě)出動(dòng)平臺(tái)的約束螺旋系。比如要得到具有三移動(dòng)兩轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu),動(dòng)平臺(tái)的約束螺旋系包含一個(gè)力偶,這個(gè)力偶限制了動(dòng)平臺(tái)的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。2.將動(dòng)平臺(tái)的約束螺旋分配到各個(gè)支鏈中。送個(gè)過(guò)程需要考慮的問(wèn)題是支鏈的數(shù)目如何確定,支鏈的結(jié)構(gòu)是否相同。如果目標(biāo)并聯(lián)機(jī)構(gòu)所有支鏈的結(jié)構(gòu)相同,那么所有支鏈提供的約束特性也應(yīng)該相同。3.支鏈提供的約束確定后,則可根據(jù)螺旋理論進(jìn)行支鏈結(jié)構(gòu)的綜合。首先寫(xiě)出約束的操旋表達(dá)式,對(duì)約束攝旋求反煉旋,得到支鏈的運(yùn)動(dòng)螺旋系。再對(duì)運(yùn)動(dòng)螺旋系進(jìn)行線性組合,得到支鏈中關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)旋的一般表達(dá)式。再根據(jù)特殊關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)揉旋應(yīng)滿足的條件(比如移動(dòng)關(guān)節(jié)螺三個(gè)分線是軸線上一點(diǎn)的位置向量叉乘方向向量的結(jié)果),得到支鏈中運(yùn)動(dòng)副應(yīng)滿足的關(guān)系,進(jìn)而列舉出所有滿足要求的支鏈結(jié)構(gòu)。

2.2可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

上述兩種理論在固定自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及分析中己發(fā)揮了重要的作用。而在可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究方面,目前存在的化構(gòu)構(gòu)型較少:構(gòu)型的提出依賴研究者的靈感,缺乏系統(tǒng)的方法對(duì)可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);現(xiàn)有的一些可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)配置狀況不理想,需要在遠(yuǎn)離基座的關(guān)節(jié)上添加驅(qū)動(dòng),導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的動(dòng)為學(xué)性能變差,限制了可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用。因此,設(shè)計(jì)具有理想驅(qū)動(dòng)方案的可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

3含約束奇異特性單環(huán)閉鏈的可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu).............23

3.1運(yùn)動(dòng)分忿單環(huán)閉鏈..........23
3.2可重構(gòu)混聯(lián)支鏈..........29
3.3可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)..........34
3.4一種部分解耦的可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)..........38

6面向任務(wù)的可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

6.1任務(wù)分析及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)研究的最終目的是為了將其投入應(yīng)用,提髙社會(huì)生產(chǎn)力。固定自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)己經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,比如最初出現(xiàn)的六自由度平臺(tái)主要用于運(yùn)動(dòng)模擬裝置的開(kāi)發(fā)。此外,在一些應(yīng)用領(lǐng)域,不需要六自由度的執(zhí)行機(jī)構(gòu),一些自由度數(shù)小于六的機(jī)構(gòu)就能很好的完成任務(wù),像3T自由度的Delta機(jī)器人和3T1R自由度的H4機(jī)器人在食品包裝和醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛;3T2民自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)可應(yīng)用于五軸并聯(lián)機(jī)床的開(kāi)發(fā)。相對(duì)于固定自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu),具有可變自由度特性的可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)尚未在實(shí)際生產(chǎn)中得到很好的應(yīng)用,而隨著科技的飛速發(fā)展,一些現(xiàn)代化的生產(chǎn)過(guò)程包含多個(gè)不同自由度要求的工作階段。比如在機(jī)器人噴涂、攬拌摩擦焊、3D打印加工中,在不同形狀的表面上操作需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有不同的自由度:在平面上操作僅需31自由度;在圓柱面上操作需要自由度,在自由曲面上操作需要3T2R自由度�？芍貥�(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)可根據(jù)不同的任務(wù)要求,切換至不同的操作模式,在不同的操作模式下活動(dòng)驅(qū)動(dòng)數(shù)目與任務(wù)自由度數(shù)目相等,具有很好的操作任務(wù)適應(yīng)性、節(jié)省能量等優(yōu)點(diǎn),特別適合應(yīng)用于具有多個(gè)工作階段的生產(chǎn)領(lǐng)域。因此,本章針對(duì)這一背景,在前面的研究基礎(chǔ)上,試圖設(shè)計(jì)出可在不同構(gòu)型下執(zhí)行可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

6.2統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

根據(jù)操作任務(wù)自由度要求,分析機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。由于所需的最小自由度數(shù)目為三.因此設(shè)定可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的支鏈數(shù)目為王。此外,機(jī)構(gòu)最多能執(zhí)行3T2R五個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),可選取一條允許3T2R運(yùn)動(dòng)的固定結(jié)構(gòu)支鏈來(lái)限制動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng),記為L(zhǎng)3T2R支鏈。由于可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)能分別執(zhí)行3T運(yùn)動(dòng)和3T2R運(yùn)動(dòng),可使并聯(lián)化構(gòu)中其余兩條支鏈具有變結(jié)構(gòu)持性:在一種結(jié)構(gòu)下允許六自由度運(yùn)動(dòng),而在另一種結(jié)構(gòu)下允許3T2R運(yùn)動(dòng),記這種支鏈為支鏈。接下來(lái)選取支鏈結(jié)構(gòu)?支鏈實(shí)原上是能提供-個(gè)力偶約束的支鏈;從運(yùn)動(dòng)角度講,運(yùn)動(dòng)實(shí)際上可以看成X-X型運(yùn)動(dòng)。學(xué)者們己對(duì)這樣的支鏈進(jìn)行了詳盡的結(jié)構(gòu)綜合,我們可以從中選取合適的支鏈結(jié)構(gòu)?而L6/3T2R支鏈可以認(rèn)為是利用了支鏈的兩種構(gòu)型,且不必滿足獲得3R2T運(yùn)動(dòng)的條件。
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7結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型少、驅(qū)動(dòng)配置不理想的問(wèn)題,本文提出了一種可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新方法。根據(jù)提出的方法,采用幾種己有的具有奇異特性的閉鏈,并提出了一些新型閉鏈,進(jìn)行了可重構(gòu)混聯(lián)支鏈、并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),得到了一類(lèi)新型的具有理想驅(qū)動(dòng)方案的可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu),并對(duì)其中一些機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性及解錯(cuò)特性進(jìn)行了分析。對(duì)一種平面可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的固定自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及性能做了對(duì)比分析。針對(duì)現(xiàn)代加工生產(chǎn)中的變自由度任務(wù)要求,進(jìn)行了可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、分析和實(shí)驗(yàn)。本文的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):1.提出了一種可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新方法,即利用閉鏈的奇異特性,配合常規(guī)固定自由度串聯(lián)支鏈,在保證一定的裝配條件下,完成可重構(gòu)混聯(lián)支鏈、并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過(guò)預(yù)設(shè)混聯(lián)支鏈的運(yùn)動(dòng)特性,確定了固定自由度串聯(lián)支鏈的一種可能運(yùn)動(dòng)形式一兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)移動(dòng)運(yùn)動(dòng),并通過(guò)李群理論分析得到了這樣的支鏈結(jié)構(gòu)。

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參考文獻(xiàn)（略）

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本文編號(hào)：164852