一種五自由度混聯(lián)機器人靜柔度建模與設計方法研究.pdf

1、本文密切結合國家發(fā)展航空航天和高端裝備制造業(yè)的重大需求，在國家自然科學基金重點項目及高等學校博士學科點專項科研基金資助下，系統(tǒng)研究了5自由度混聯(lián)模塊的拓撲結構綜合、運動學性能評價、靜柔度建模、輕量化設計、剛體動力學建模與伺服電機參數(shù)預估等問題。全文取得如下創(chuàng)造性成果：
　　在拓撲結構綜合方面，以UPR-SPR和UP運動鏈為虛擬鏈，揭示了組成UPR-SPR型和UP型等效運動并聯(lián)機構中4自由度和5自由度分支運動鏈各運動副軸線需滿足的幾

2、何條件，據此綜合出多種含冗余驅動或過約束的1T2R三自由度位置型并聯(lián)機構新構型。
　　在由2自由度轉頭及面對稱3-SPR并聯(lián)機構組成的5自由度混聯(lián)機器人運動學分析方面，建立了一般面對稱3-SPR并聯(lián)機構位置逆解模型，揭示出其存在解析解時鏈中回轉副軸線的配置條件。在此基礎上，建立了一種具有解耦格式的雅可比矩陣，并構造出一組取值介于[0,1]之間、無量綱、與坐標系無關的運動學性能指標。通過揭示機構無量綱尺度參數(shù)對這組指標的影響規(guī)律，構

3、造出滿足給定運動學性能、支鏈極限桿長比和球副轉角等幾何與運動學約束的尺度參數(shù)可行域。
　　在上述混聯(lián)機器人靜柔度建模方面，提出一種考慮構件重力場、以及構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）建立關節(jié)力與末端外載荷及運動部件重力間的映射關系；（2）構造計及運動部件自身分布重力的關節(jié)變形精確模型；（3）利用半解析法構造支鏈在關節(jié)空間中的靜柔度矩陣。利用上述模型可快速計算出外載荷及運動部件重力引起的末端

4、變形在工作空間中的分布規(guī)律。
　　在上述混聯(lián)機器人輕量化設計方面，提出一種具有分層遞階格式的設計方法。該方法以2自由度轉頭與3-SPR并聯(lián)機構剛度相匹配、支鏈驅動與約束剛度相匹配、鏈中鉸鏈與支鏈體剛度相匹配為設計準則，以末端靜剛度、制造工藝、構件及運動副尺度關聯(lián)關系等為約束條件，以整機運動部件質量最輕為目標，實現(xiàn)了機器人系統(tǒng)的輕量化設計。相應設計流程的要點為：以整機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，首先將末端靜剛度分

5、配給2自由度轉頭及鏈中各子裝配體，然后以分配給后者的剛度為約束，實現(xiàn)它們的輕量化設計，進而實現(xiàn)整機的輕量化設計。所提出的輕量化設計方法可在滿足靜剛度約束條件下，使得整機質量最輕且具有優(yōu)良的動態(tài)特性。
　　在上述混聯(lián)機器人剛體動力學建模與伺服電機參數(shù)預估方面，從構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)機構剛體動力學模型的方法。在此基礎上，通過計算在給定加速度下的峰值力矩和折算到電機軸上的轉動慣量全域均值，提出一種