繩索-彈簧混聯(lián)機構特性分析.pdf

1、繩索牽引并聯(lián)機構具有高精度、高負載、重量輕、慣量小、工作空間大的特點，已應用于醫(yī)療康復設備、重型起重設備、高速機械制造等領域。但是由于繩索只能承受拉力而不能承受壓力，因此n自由度的繩索牽引并聯(lián)機構至少要由n+1根繩索來驅動。這種冗余驅動會導致索力求解非常復雜，給機構控制帶來很大的難度，同時也增加了機構的成本。如果給繩索牽引并聯(lián)機構中加入彈簧構成繩索-彈簧混聯(lián)機構，由彈簧來提供被動力，則可以使繩索數(shù)目與自由度數(shù)目相等的繩索-彈簧混聯(lián)機構中

2、的繩索保持一定的張緊力，實現(xiàn)機構運動。這樣既可以保持繩索驅動結構本身的優(yōu)點，同時又可以避免繩索單向受力的不足。本文主要工作就是對此繩索-彈簧混聯(lián)機構特性進行分析。主要工作如下：
　　1)將繩索牽引并聯(lián)機構的雅克比矩陣推廣到繩索-彈簧混聯(lián)機構之中。根據(jù)力旋量封閉空間原理提出了繩索-彈簧混聯(lián)機構可行工作空間的求解方法。并對不同布置方式的混聯(lián)機構工作空間進行了仿真計算。提出了單一變量法來分析彈簧的布置位置、初始長度、勁度系數(shù)對混聯(lián)機構的

3、工作空間的影響；并分析了彈簧參數(shù)對機構工作空間的綜合影響的敏感度。提出了針對彈簧-繩索混聯(lián)機構構型優(yōu)化的遺傳算法程序操作流程；并對機構中彈簧參數(shù)進行了優(yōu)化計算，得到了具有3根繩索1根彈簧的繩索-彈簧混聯(lián)機構的最優(yōu)構型。提出了衡量工作空間質量的指標，并對繩索-彈簧混聯(lián)機構的工作空間質量進行了計算分析。
　　2)在繩索牽引并聯(lián)機構運動學分析的基礎上提出了針對繩索-彈簧混聯(lián)機構運動學分析的理論方法；分別從位置、速度、加速度、靜力學四個方

4、面對繩索-彈簧混聯(lián)機構運動學特性分析進行了理論闡述和相關公式的推導；得到了位置方程、一階影響系數(shù)矩陣、二階影響系數(shù)矩陣和包含彈簧力在內的力旋量平衡方程。并對位置的正逆解，速度逆解、加速度逆解、靜態(tài)繩索拉力解進行了數(shù)值計算。
　　3)建立了繩索-彈簧混聯(lián)機構末端執(zhí)行器的動力學模型，并將其與驅動器的動力學模型聯(lián)立建立了機構的系統(tǒng)動力學模型。對繩索-彈簧混聯(lián)機構的剛度進行了分析；推導了主動剛度的海瑟矩陣的表達式，建立了系統(tǒng)整體剛度模型，

5、并分析了加入彈簧對系統(tǒng)剛度的影響；對繩索-彈簧混聯(lián)機構的振動特性做了分析，通過將多元非線性方程組線性化建立了系統(tǒng)的振動方程。對動力學模型、剛度模型和固有頻率進行了數(shù)值仿真計算。
　　4)在 ADAMS軟件中分別建立了繩索-彈簧混聯(lián)機構的逆運動學模型和動力學模型；在 SIMULINK中建立逆運動學模型和逆動力學模型；ADAMS和SIMULINK中的逆運動學模型仿真結果的一致性證明了本文運動學分析數(shù)學模型的正確性。通過MATLAB和A