含五杆闭链的并联机构构型综合及主要运动性能分析研究

论文摘要

本文对含五杆闭链的并联机构构型综合问题，—种含五杆闭链的混合驱动六自由度并联机构的正运动学位置求解、工作空间分析、精度设计、实体模型运动仿真及机构杆件干涉分析等问题进行了比较深入的研究。针对平面机构构型创新设计问题，首次提出了机构设计方案的灰色模糊评判方法，并通过实例进行了分析验证。对平面五杆闭环机构的类型、运动性能、拓扑特性等进行了深入分析。通过重点研究5R闭环机构与RPRPR闭环机构在并联机构中的应用，综合出了四种4自由度空间并联机构、两种5自由度空间并联机构和两种6自由度空间并联机构的新构型。对含五杆闭链的混合驱动六自由度并联机构的运动学位置正解进行了求解。根据该六自由度并联机构的几何结构特点运用几何分析和虚拟杆长相结合的方法建立起了其运动学数学模型，将求解并联机构运动学位置正解归结于求解一组具有强耦合性的多元非线性方程组的极值问题。首次提出了利用改进遗传算法来直接优化求解并联机构的运动学正解的所有实数解，并通过计算灰色关联度对求出的结果进行分组的方法。实例分析结果表明该方法简单方便，求解精度高，完全可用于对不同结构形式的并联机构正运动学问题求解。根据该六自由度并联机构具有对称结构的特点，结合平面五杆机构的工作区间，运用顶点空间分析法分析了并联机构的整体工作空间的形成过程。在分析制约并联机构工作空间的约束条件的基础上，基于位置逆解方程，通过边界极值搜索法，给出了并联平台机构工作空间的二维表示图及对应于不同z值的x—y平面内的工作空间截面形状。采用有效圆柱体体积来衡量工作空间，详细分析了平台结构尺寸对工作空间体积的影响，给出了各参数对有效圆柱体体积的影响曲线。在运动学正、逆解的基础上，对雅可比矩阵进行了研究，分析了该并联机构的奇异性。研究了并联平台机构的精度设计问题。通过考虑球铰、回转副间隙误差随机性的影响，在运动学逆解的基础上，建立了该新型六自由度并联平台的实际误差模型，并进行了误差的蒙特卡洛模拟分析和误差的灵敏度分析，对平台的结构参数变化对误差的影响进行了计算机仿真分析。提出了将精度综合问题转化为一个多目标多变量的非线性优化问题，用混沌遗传算法进行求解的方法，并给出了建立精度综合的优化数学模型的方法步骤。用Pro／ENGINEER实体建模设计软件建立了含五杆闭链的混合驱动6自由度并联机构的实体模型，通过可视化运动仿真对并联机构的干涉性问题进行了直观分析和研究，为对整机的其它性能分析和优化工作打下了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的依据及意义
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 并联机构的发展及应用现状
• 1.2.2 并联机构的理论研究概况
• 1.2.3 并联机构的理论研究尚待解决的问题
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 第2章 含五杆闭链的并联机构构型综合与拓扑分析
• 2.1 概述
• 2.2 平面五杆闭环机构的类型及拓扑描述
• 2.3 平面五杆闭环机构的性能
• 2.3.1 五杆机构的主要类型
• 2.3.2 五杆机构的可动性分析
• 2.4 平面机构设计方案的灰色模糊评判法
• 2.4.1 确定比较数据列
• 2.4.2 构造最优和最劣参考数据列
• 2.4.3 构造判别函数评判方案优劣
• 2.4.4 几个关键问题
• 2.4.5 应用实例
• 2.5 并联机构构型设计的基本功能要求及拓扑特性描述
• 2.5.1 并联机构构型设计的基本方法和基本功能要求
• 2.5.2 并联机构构型的拓扑特性描述
• 2.6 含五杆闭链的空间并联机构构型综合
• 2.6.1 综合方法及步骤
• 2.6.2 应用实例
• 2.6.3 并联机构构型评判与优选指标
• 2.7 本章小结
• 第3章 含五杆闭链的混合驱动六自由度并联机构正运动学分析研究
• 3.1 概述
• 3.2 含五杆闭链的混合驱动六自由度并联机构的结构及性能特点
• 3.3 混合驱动五杆机构不出现奇异位置的构型
• 3.4 混合驱动六自由度并联机构的正运动学数学模型
• 3.5 基于改进遗传算法的六自由度并联机构正运动学求解
• 3.5.1 基于改进遗传算法的求解方法
• 3.5.2 实例计算验证
• 3.5.3 混合驱动六自由度并联机构正运动学求解
• 3.5.4 混合驱动六自由度并联机构的正运动学位置解分析
• 3.6 混合驱动六自由度并联机构的逆运动学数学模型
• 3.6.1 逆运动学数学模型
• 3.6.2 逆运动学求解步骤
• 3.7 本章小结
• 第4章 含五杆闭链的混合驱动六自由度并联机构的工作空间分析
• 4.1 概述
• 4.2 工作空间的形成及制约因素
• 4.2.1 工作空间的形成
• 4.2.2 工作空间的制约因素
• 4.3 工作空间的确定及其截面形状分析
• 4.3.1 基于边界极值搜索法的工作空间的求解
• 4.3.2 工作空间的截面形状分析
• 4.4 工作空间内有效圆柱体及其影响因素分析
• 4.4.1 有效圆柱体空间
• 4.4.2 影响工作空间的因素分析
• 4.5 工作空间奇异性分析
• 4.5.1 雅可比矩阵与机构的奇异性
• 4.5.2 基于遗传算法的并联机构奇异性分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 含五杆闭链的混合驱动六自由度并联机构的精度设计
• 5.1 概述
• 5.2 建立误差模型
• 5.2.1 理想误差模型
• 5.2.2 实际误差模型
• 5.3 误差的蒙特卡洛模拟与分析
• 5.3.1 误差的蒙特卡洛模拟
• 5.3.2 位置误差灵敏度分析
• 5.4 动平台姿态及平台结构参数对误差灵敏度的影响
• 5.4.1 动平台姿态对综合位置误差灵敏度的影响
• 5.4.2 平台支链中的杆长对综合位置误差灵敏度的影响
• 5.4.3 上下平台边长对误差灵敏度的影响
• 5.5 精度综合
• 5.5.1 精度优化综合的数学模型
• 5.5.2 基于混沌遗传算法的精度综合
• 5.6 本章小结
• 第6章 含五杆闭链的混合驱动六自由度并联机构的运动仿真与干涉性检验
• 6.1 概述
• 6.2 并联平台机构的杆件制作及装配
• 6.2.1 五杆闭链各杆件的制作
• 6.2.2 制作空间并联平台的上、下平台
• 6.2.3 含五杆闭链的空间并联机构的装配
• 6.3 运动仿真与干涉性检验
• 6.3.1 建立伺服发动机
• 6.3.2 运动仿真过程
• 6.4 空间并联平台机构的干涉性分析
• 6.4.1 上平台上下平动的干涉性分析
• 6.4.2 上平台既有平动又有转动的运动干涉性分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 回顾与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 论文创新之处
• 7.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的论文（著）及主要科研情况