六自由度并联机器人奇异位形的研究

论文摘要

奇异位形,也称特殊位形,是机构的固有性质也是机器人机构的一个十分重要的运动学特性,机器人的运动、受力、控制以及精度等诸方面的性能都与机构的奇异位形密切相关。因此有必要对并联机构的奇异位形做更深入的研究,以减少和消除奇异位形的影响,进一步提高并联机构的性能,促进并联机构的实用化和产品化的发展。本文系统的对六自由度并联机器人的奇异位形问题进行了全面的研究,主要研究内容包括以下几方面:论文介绍了并联机构奇异位形的基本理论。阐明了奇异位形的基本定义,明确了机构处于奇异位形下的物理意义;介绍了国内外有关并联机构的奇异位形的研究方法、分类方法以及并联机构奇异的运动学原理,最后研究了机构奇异时瞬时运动螺旋的求解方法。对3/6-SPS型Gough-Stewart并联机构在三维空间中的位置奇异轨迹的分布及结构特性进行了深入的研究。推导出了该并联机构在三维空间中的位置奇异轨迹的解析表达式,提出了分析该并联机构奇异位形的等效机构法,采用此方法推导出了当该并联机构处于一般姿态时机构在θ-平面上的位置奇异轨迹方程并研究了其在相互平行的θ-平面上的位置奇异轨迹的分布及结构特性,最后对该并联机构处于各种姿态时机构在三维空间中的位置奇异轨迹的分布及结构特性进行了总结。对6/6-SPS型Gough-Stewart并联机构在三维空间中的位置奇异轨迹的分布及结构特性进行了深入的研究。推导出了该并联机构在三维空间中的位置奇异轨迹的解析表达式,基于此解析表达式,又推导出了该并联机构在主截面上的位置奇异轨迹方程并研究了机构在相互平行的主截面上的位置奇异轨迹的分布及结构特性,最后对该并联机构在三维空间中的位置奇异轨迹的分布及结构特性进行了总结。研究首次发现,6/6-SPS型Gough-Stewart并联机构也存在六个线矢量均交于一个公共线矢量的奇异位形,并且当机构处于同一姿态时,在空间中可能存在多个位置此时六个线矢量均同时交于一个公共线矢量。对6/6-SPS型Gough-Stewart并联机构的姿态奇异及姿态能力进行了研究。推导出了该并联机构处于给定位置时机构的姿态奇异轨迹的解析表达式,首次提出了姿

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 并联机构的起源及发展概述
• 1.2 并联机器人的应用概述
• 1.2.1 运动模拟器
• 1.2.2 并联机床
• 1.2.3 微操作机器人
• 1.2.4 力传感器
• 1.3 并联机器人机构学理论的研究概述
• 1.3.1 并联机器人奇异位形研究的概述
• 1.3.2 并联机器人性能指标研究的概述
• 1.3.3 并联机器人工作空间研究的概述
• 1.4 论文选题的意义及主要研究内容
• 第2章 奇异位形的基本理论
• 2.1 奇异位形的基本定义
• 2.2 奇异位形的主要研究方法
• 2.3 奇异位形的基本分类
• 2.3.1 Gosselin 和Angeles 的分类方法
• 2.3.2 Ma 和Angeles 的分类方法
• 2.3.3 Zlatanov 等的分类方法
• 2.3.4 Park 的分类方法
• 2.3.5 沈辉、吴学忠等的分类方法
• 2.3.6 黄真、陈隆辉、李艳文等的分类方法
• 2.4 并联机构奇异的运动学原理
• 2.4.1 做螺旋运动物体上三点的速度关系
• 2.4.2 非共线三点的速度能合成螺旋运动的条件
• 2.4.3 物体作螺旋运动的充分必要条件
• 2.5 并联机构奇异时瞬时运动反螺旋的求解
• 2.5.1 运动螺旋和力螺旋的互逆
• 2.5.2 机构奇异时的瞬时运动螺旋
• 2.6 本章小结
• 第3章 3/6-SPS 型Gough-Stewart 并联机构位置奇异轨迹的性质识别
• 3.1 引言
• 3.2 机构在三维空间中的位置奇异轨迹
• 3.2.1 影响系数矩阵的建立
• 3.2.2 机构在三维空间中的位置奇异轨迹
• 3.3 机构位置奇异轨迹性质识别的等效机构法
• 3.3.1 等效机构的自由度分析
• 3.3.2 等效机构的位置正解
• 3.3.3 用等效机构分析机构的奇异位形
• 3.3.4 机构在θ-平面上的位置奇异轨迹的性质判别
• 3.3.5 数值举例
• 3.3.6 机构在三维空间中的位置奇异轨迹
• 3.4 机构在三维空间中的位置奇异轨迹的性质识别
• 3.5 本章小结
• 第4章 6/6-SPS 型Gough-Stewart 并联机构位置奇异轨迹的性质识别
• 4.1 引言
• 4.2 Gough-Stewart 并联机构在三维空间中的位置奇异轨迹
• 4.3 Gough-Stewart 并联机构在θ-平面上的位置奇异轨迹
• 4.4 机构在主截面上的位置奇异轨迹的性质识别
• 4.5 数值举例
• 4.5.1 第一对相交直线
• 4.5.2 第二对相交直线
• 4.5.3 第三对相交直线
• 4.5.4 第四对相交直线
• 4.5.5 抛物线
• 4.6 机构在三维空间中的位置奇异轨迹的性质识别
• 4.7 θ= 0° 时机构的位置奇异轨迹
• 4.8 Gough-Stewart 并联机构位置奇异轨迹性质识别的 Z 截面法
• 4.9 本章小结
• 第5章 Gough-Stewart 并联机构姿态奇异及姿态能力的研究
• 5.1 引言
• 5.2 机构在三维空间中的姿态奇异轨迹
• 5.3 姿态能力的性能指标
• 5.4 Gough-Stewart 并联机构的姿态能力的研究
• 5.4.1 球 C 的半径r 的算法
• 5.4.2 机构动平台的几何外形的影响
• 5.4.3 机构动、定平台的外接圆的半径比的影响
• 5.4.4 机构动平台的位置（X, Y, Z）的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 6/6-SPS 型Gough-Stewart 并联机构姿态工作空间的研究
• 6.1 引言
• 6.2 Gough-Stewart 并联机构姿态工作空间的研究
• 6.2.1 Gough-Stewart 并联机构的位置反解
• 6.2.2 Gough-Stewart 并联机构的结构约束
• 6.2.3 Gough-Stewart 并联机构姿态工作空间的算法
• 6.3 Gough-Stewart 并联机构的非奇异姿态工作空间的研究
• 6.4 Gough-Stewart 并联机构的实际姿态工作空间的研究
• 6.5 计算实例
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务和主要成果
• 致谢
• 作者简介