一种新型三自由度并联微动机构的分析与设计研究

论文摘要

随着科技的发展,实现精细操作的微动机构正受到人们的日益关注,并将具有广阔的应用前景和巨大的发展潜力,为此设计分析满足特定要求的新型微动机构就显得尤为重要。本文基于3-5R并联机构设计分析了一种新型的由压电陶瓷驱动的微动机构。作为研究微动机构的基础,论文分析了微动机构运动学的若干问题。在充分考虑微动机构的特点,利用D-H法,经过合理的抽象简化,得出机构的反解;通过对微动机构微动特性的分析,建立了一阶影响系数矩阵,并进一步对机构进行了速度分析。针对利用柔性铰链的弹性变性来实现微动的机构来讲,机构的静刚度对其动态特性及其承载状态下的定位精度有着重要的影响。因此,本文通过柔性矩阵得到了机构末端的静刚度矩阵,并得到刚度性能与机构尺寸的关系,为优化微动机构的结构尺寸设计提供了理论依据。对该微动机构的模型参数进行了详细的设计与分析。在阐述微动机构柔性铰链的基础上,对机构材料、加工方法进行选择;设计机构参数,确定机构的最佳模型;利用有限元软件对机构进行安全校核,验证了机构设计的可行性。最后设计了该并联微动机构的控制器。采用单片机对机构进行运动控制,对控制器中的各部分元件进行了选择,设计了控制器的硬件系统及部分的软件系统。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微动机器人系统的应用
• 1.2.1 微动机器人在微机电行业中的应用
• 1.2.2 微动机器人在生物工程及医疗中的应用
• 1.2.3 微动机器人在航天领域和光纤对接中的应用
• 1.3 微机器人应具有的机能
• 1.4 微机器人的研究现状
• 1.4.1 微机器人相关技术的发展
• 1.4.2 微机器人发展概况
• 1.5 并联机器人的研究现状
• 1.6 并联微动机器人研究现状及选题意义
• 1.7 本文研究的内容
• 第2章 3-5R 并联微动机构的运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 3-5R 并联微动机构模型的提出
• 2.3 3-5R 并联微动机构的运动反解
• 2.3.1 坐标系的建立
• 2.3.2 位置反解方程的建立
• 2.3.3 位置反解的数值验证
• 2.4 3-5R 并联微动机构的速度分析
• 2.4.1 支链的一阶影响系数矩阵
• 2.4.2 机构的一阶影响系数矩阵
• 2.4.3 机构速度分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 3-5R 并联微动机构静刚度研究
• 3.1 引言
• 3.2 静刚度分析的柔度矩阵法
• 3.2.1 局部坐标系下的单元变形矩阵
• 3.2.2 参考坐标系下的单元变形矩阵
• 3.2.3 3-5R 并联微动机构静刚度模型
• 3.3 静刚度特性的研究
• 3.4 静刚度优化
• 3.5 本章小结
• 第4章 3-5R 并联微动机构的设计
• 4.1 引言
• 4.2 柔性铰链
• 4.2.1 柔性铰链的研究现状
• 4.2.2 柔性铰链的应用领域
• 4.2.3 柔性铰链的材料
• 4.2.4 柔性铰链的加工方法
• 4.3 柔性铰链的几何模型
• 4.3.1 柔性转动副（R）
• 4.3.2 柔性移动副（P）
• 4.3.3 柔性球铰（S）与虎克铰（U）
• 4.4 机构的参数设计
• 4.4.1 柔性转动副刚度计算
• 4.4.2 机构参数选择
• 4.5 机构有限元分析
• 4.5.1 有限元概述
• 4.5.2 微动机构有限元建模
• 4.5.3 微动机构静态分析
• 4.5.4 微动机构模态分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 3-5R 并联微动机构控制器设计
• 5.1 压电陶瓷驱动器
• 5.2 控制方式的选择
• 5.3 控制系统的硬件设计
• 5.3.1 微机的选择
• 5.3.2 检测元件的选择
• 5.3.3 各控制模块的的设计
• 5.4 控制系统的软件设计
• 5.4.1 键盘处理程序
• 5.4.2 主程序流程设计
• 5.5 本章小结
• 结论
• 附录 反解参数值
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介