双端虎克铰并联运动模拟器机构的分析

论文摘要

伴随着我国经济的快速发展,各行业对石油、天然气以及危险化工原料的需求越来越大,其安全情况也受到越来越多的重视。以往针对此类易燃、易爆、有毒危险品的监测和控制往往采用在实际运输过程中或实车、实地测量的方法。这类方法不但成本较高、危险性高而且重复性差。为此本课题组设计了一种复现危险品运输过程中运动情况的Hexaglide型并联运动模拟器。模拟危险品运输过程中的运动模拟器已经搭建完成,能够完成一定运输工况的模拟。本文通过理论分析、仿真与实验进一步明确该模拟器的工作性能。从工作空间,运动精度及动态性能方面进行深入研究和分析。首先,针对Hexaglide型运动模拟器结构特点即双端虎克铰型支链,建立了虎克铰某一分支固定时的虎克铰运动范围模型。结合对确定位姿下的虎克铰摆角求解即可描述虎克铰对工作空间的影响。在此基础上,结合模拟器运动学逆解,对模拟器动平台处于确定位姿下12个虎克铰的摆角进行了求解。结合运动学逆解和其他结构约束,在三维空间搜索了模拟器零姿态下位置工作空间。其次,为进一步提高模拟器复现效果,对运动模拟器进行了运动学标定。标定采用了激光跟踪仪测量平台位姿的外标定方法。利用所测的动平台位姿计算出的杆长与机构的名义杆长之差作为标定的误差模型。结合非线性最小二乘法,对运动模拟器进行了运动学标定参数的求解。针对一组空间连续圆形轨迹和若干组任意位姿通过实验验证了标定效果。最后,为分析运动模拟器动力学性能,在考虑了模拟器特殊构型的基础上,采用运动影响系数分析双端虎克铰并联运动模拟器各构件的速度、加速度等运动学信息。并在求解的一阶运动影响系数的基础上结合虚功原理进行了不计及非刚体效应的六自由度Hexaglide构型并联运动模拟器刚体动力学建模。将基于运动影响系数和虚功原理的动力学模型结果与Adams仿真的结果进行对比,验证了所建立模型的正确性。通过对本课题组设计的Hexaglide构型的并联运动模拟器进行工作空间分析、运动学标定和动力学性能的研究。使得模拟器性能更为明确,集中体现在模拟器工作空间更为准确;运动复现程度得到提升;动态性能得获得较好的分析,在工况路径规划时可以充分利用本文的分析结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 运动模拟器的发展及相关技术国内外研究现状
• 1.2.1 运动模拟器发展及国内外现状
• 1.2.2 并联机构工作空间及国内外研究现状
• 1.2.3 并联机构标定及国内外研究现状
• 1.2.4 并联机构动力学及国内外研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 双端虎克铰型HEXAGLIDE 机构工作空间分析
• 2.1 引言
• 2.2 虎克铰运动范围分析
• 2.2.1 虎克铰干涉情况分析
• 2.2.2 虎克铰运动范围求解
• 2.3 确定位姿下虎克铰转角求解
• 2.4 限制模拟器工作空间的其他因素及工作空间求解
• 2.5 本章小结
• 第3章 运动模拟器运动学标定
• 3.1 引言
• 3.2 测量基准的建立及位姿的获取
• 3.2.1 测量基准的建立
• 3.2.2 测量过程及动平台姿态获取
• 3.3 基于运动学逆解的标定方法
• 3.3.1 标定所需参数的确定
• 3.3.2 运动学标定模型建立
• 3.4 实际测量及参数求解
• 3.4.1 模拟器标定所需位姿测量
• 3.4.2 基于最小二乘法的标定参数求解
• 3.5 标定结果验证
• 3.6 本章小结
• 第4章 运动模拟器动力学分析
• 4.1 引言
• 4.2 模拟器构型描述及坐标定义
• 4.2.1 模拟器运动构件划分及安装
• 4.2.2 模拟器坐标建立及运动副描述
• 4.3 模拟器各构件运动学分析
• 4.3.1 模拟器上平台运动描述
• 4.3.2 一阶运动影响系数建立
• 4.3.3 二阶运动影响系数建立
• 4.4 模拟器运动学分析
• 4.4.1 基于虚功原理的多刚体动力学方程一般形式
• 4.4.2 多刚体逆动力学方程的一般形式
• 4.5 动力学模型验证
• 4.6 动力学模型的应用及测试
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢