可约并联机构设计理论与方法研究

论文摘要

耦合广泛存在于各个系统中,是产生矛盾冲突的根本原因。对于并联机构来说,机构中各个运动、各项性能的强耦合性使得机构综合、尺寸设计、性能提高以及控制的设计变得非常复杂。本课题针对并联机构的强耦合性问题,提出了研究运动解耦的并联机构的设计方法。主要研究内容为:(1)回顾并联机构的研究现状和应用,对现有并联机构构型设计和设计方法进行了总结,分析在机构综合和设计方面取得的成果和存在的缺陷。论述了本文研究的运动解耦并联机构的意义和具体内容。(2)讨论了可约系统的原理,提出了一般可约系统的概念,针对本文中研究的并联机构,定义了可约并联机构,分别将运动和受力可约进行了分类。(3)定义并证明三自由度可约移动并联机构的判定充分必要条件,研究三自由度可约移动并联机构的型综合问题,建立了新的坐标参数,综合新的三自由度可约移动并联机构。研究机构可约性和机构布局的关系。(4)根据三自由度可约移动并联机构的驱动方式,将它们分为两类,分别对他们的各个运动性能指标进行了分析,讨论了它们的优点和不足。(5)按照驱动方式将机构分类,分别分析了两类机构的静力性能。建立了每个机构的受力和刚度模型。(6)在考虑工作空间基础上对机构进行了优化设计,利用机构在结构、运动、干涉等方面的相互关系,建立起机构的各个构件的参数同驱动参数的关系。(7)以机构的整体刚度为基础进行尺寸设计,分析机构提高刚度性能的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 并联机器人的研究与应用
• 1.1.1 并联机器人的研究现状
• 1.1.2 并联机器人的应用
• 1.2 并联机构型综合研究现状
• 1.2.1 并联机构综合研究概述
• 1.2.2 基于自由度计算公式的列举法
• 1.2.3 基于李群理论的综合方法
• 1.2.4 单开链综合法
• 1.2.5 基于螺旋理论的型综合方法
• 1.3 并联机构尺寸设计研究现状
• 1.4 解耦并联机构研究现状
• 1.5 论文选题意义和研究内容
• 第2章 可约的定义及分类
• 2.1 概述
• 2.2 可约系统的定义
• 2.2.1 可约系统的定义
• 2.2.2 可约概念与解耦概念的比较
• 2.3 并联机构性能的运动可约性分类
• 2.3.1 运动可约概述
• 2.3.2 运动分组可约
• 2.3.3 运动绝对可约
• 2.3.4 可约机构举例
• 2.4 并联机构性能的力可约性分类
• 2.5 本章小结
• 第3章 三自由度移动可约机构的构型
• 3.1 三自由度移动可约机构的定义
• 3.2 并联可约机构的型综合
• 3.3 三自由度可约移动并联机构的构型设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 机构布局和机构运动可约性的关系
• 4.1 概述
• 4.2 移动副驱动并联机构可约性与机构支链布局的关系研究
• 4.2.1 移动副驱动运动链
• 4.2.2 平面均匀分布构成的机构
• 4.2.3 空间正交分布构成的机构
• 4.3 转动副驱动并联机构可约性与机构支链布局的关系研究
• 4.3.1 转动副驱动运动链
• 4.3.2 平面均匀分布构成的机构
• 4.3.3 空间正交分别构成的机构
• 4.4 本章小结
• 第5章 三自由度可约移动并联机构运动分析
• 5.1 概述
• 5.2 3-PPP 三自由度可约移动并联机构的分析
• 5.2.1 3-PPP 机构的结构特点
• 5.2.2 3-PPP 机构的结构的运动分析
• 5.3 3-PRRR 三自由度可约移动并联机构的分析
• 5.3.1 3-PRRR 机构的结构特点
• 5.3.2 3-PRRR 机构的结构的运动分析
• 5.4 3-PPRR 三自由度可约移动并联机构的分析
• 5.4.1 3-PPRR 机构的结构特点
• 5.4.2 3-PPRR 机构的结构的运动分析
• 5.5 3-4R3R 三自由度可约移动并联机构的分析
• 5.5.1 3-4R3R 机构的结构特点
• 5.5.2 3-4R3R 机构的结构的运动分析
• 5.6 3-4RPP 三自由度可约移动并联机构的分析
• 5.6.1 3-4RPP 机构的结构特点
• 5.6.2 3-4RPP 机构的结构的运动分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 三自由度移动可约并联机构的运动性能分析
• 6.1 并联机构的运动性能指标
• 6.1.1 运动Jacobian 矩阵
• 6.1.2 并联机构的工作空间
• 6.1.3 并联机构的奇异位形
• 6.1.4 Jacobian 矩阵条件数
• 6.1.5 并联机构的速度各项同性和极值指标
• 6.2 三自由度可约移动并联机构的运动Jacobian 矩阵
• 6.2.1 移动副驱动的并联机构的运动Jacobian 矩阵
• 6.2.2 转动副驱动的并联机构的运动Jacobian 矩阵
• 6.3 三自由度可约移动并联机构的工作空间分析
• 6.3.1 移动副驱动机构的工作空间
• 6.3.2 转动副驱动机构的工作空间
• 6.4 三自由度可约移动并联机构的速度各项同性和极值指标
• 6.4.1 移动副驱动机构的速度指标
• 6.4.2 转动副驱动机构的速度指标
• 6.5 三自由度可约移动并联机构的奇异位形分析
• 6.5.1 移动副驱动机构的奇异位形
• 6.5.2 转动副驱动机构的奇异位形
• 6.6 本章小结
• 第7章 三自由度移动可约并联机构的静力性能分析
• 7.1 并联机构的静力性能指标
• 7.1.1 力传递矩阵
• 7.1.2 承载能力各向同性和承载能力极值指标
• 7.2 三自由度可约移动并联机构的静力分析
• 7.2.1 移动副驱动机构的静力分析
• 7.2.2 转动副驱动机构的静力分析
• 7.3 三自由度可约移动并联机构的承载能力分析
• 7.3.1 移动副驱动机构的承载能力分析
• 7.3.2 转动副驱动机构的承载能力分析
• 7.4 三自由度可约移动并联机构的刚度分析
• 7.4.1 3-PPP 机构的刚度分析
• 7.4.2 3-PRRR 机构的刚度分析
• 7.4.3 3-PPRR 机构的刚度分析
• 7.4.4 3-4R3R 机构的刚度分析
• 7.4.5 3-4RPP 机构的刚度分析
• 7.5 本章小结
• 第8章 基于工作空间的优化设计
• 8.1 基于工作空间的优化设计方法
• 8.2 3-PPP 的优化设计
• 8.3 3-PRRR 的优化设计
• 8.4 3-PPRR 的优化设计
• 8.5 3-4R3R 的优化设计
• 8.6 3-4RPP 的优化设计
• 8.7 算例
• 8.7.1 设计要求
• 8.7.2 移动副驱动可约机构设计算例
• 8.7.3 转动副驱动可约机构设计算例
• 8.8 本章小结
• 第9章 基于刚度的优化设计
• 9.1 基于刚度的优化设计方法
• 9.2 3-PPP 的优化设计
• 9.3 3-PRRR 的优化设计
• 9.4 3-PPRR 的优化设计
• 9.5 3-4R3R 的优化设计
• 9.6 3-4RPP 的优化设计
• 9.7 提高三自由度可约移动并联机构刚度的措施
• 9.8 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及主要成果
• 致谢
• 作者简介