三自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化與剛度性能研究.pdf

1、并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有高剛度、高精度、承載能力強(qiáng)、反映速度快等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的被應(yīng)用于宏觀與微觀領(lǐng)域，如駕駛模擬器、并聯(lián)運(yùn)動機(jī)床、大型射電望遠(yuǎn)鏡、并聯(lián)構(gòu)型加工裝配裝備、仿生救援機(jī)器人、醫(yī)療輔助設(shè)備、納米級微動機(jī)構(gòu)、傳感器設(shè)備等諸多領(lǐng)域。近年來，少自由度（2-5自由度）并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)與性質(zhì)研究等問題已經(jīng)成為并聯(lián)機(jī)構(gòu)領(lǐng)域中重要的研究方向和前沿技術(shù)。本論文以三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)為研究對象，圍繞可以實(shí)現(xiàn)空間三維純移動的3UPU機(jī)構(gòu)、可以實(shí)現(xiàn)空間三維純轉(zhuǎn)動

2、的3SPS-S機(jī)構(gòu)、可以實(shí)現(xiàn)空間轉(zhuǎn)動和移動的4UPS-PU機(jī)構(gòu)等幾種典型的三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)開展了多目標(biāo)優(yōu)化與剛度性能的研究。主要內(nèi)容概括如下:
　　 1、圍繞三類典型三自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，建立機(jī)構(gòu)模型與運(yùn)動學(xué)模型，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析及雅克比矩陣的求解。
　　 2、圍繞三類機(jī)構(gòu)的功能特點(diǎn)與優(yōu)化需求，建立運(yùn)動學(xué)性能評價指標(biāo)模型，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)性能評價。對于3UPU機(jī)構(gòu)，采用工作空間體積作為工作空間評價指標(biāo)，采用全局剛度作為剛度性能

3、評價指標(biāo);對于3SPS-S機(jī)構(gòu)，視中間支鏈為剛性桿，采用柔度矩陣主對角線上元素的均值與方差的和作為剛度評價指標(biāo)，使用全局條件指數(shù)作為工作空間評價指標(biāo);采用雅克比矩陣的條件數(shù)作為機(jī)構(gòu)靈巧性評價指標(biāo);對于4UPS-PU機(jī)構(gòu)，視中間支鏈為剛性桿，采用剛度矩陣主對角線上的元素之和作為剛度性能評價指標(biāo)，用全局條件指數(shù)作為工作空間評價指標(biāo)，用雅克比矩陣的條件數(shù)作為機(jī)構(gòu)靈巧性評價指標(biāo)。
　　 3、運(yùn)用粒子群優(yōu)化算法、Pareto多目標(biāo)優(yōu)化法，

4、針對3UPU、3SPS-S、4UPS-PU三類三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，在滿足機(jī)構(gòu)功能要求和各種約束條件的前提下，以機(jī)構(gòu)剛度、工作空間和運(yùn)動靈巧性為目標(biāo)函數(shù)，建立并聯(lián)機(jī)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，求解上述機(jī)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)值，解決并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度、工作空間和運(yùn)動靈巧性等性能指標(biāo)綜合最優(yōu)問題，建立了優(yōu)化求解的一般流程。
　　 4、以4UPS-PU機(jī)構(gòu)為例，分析基于CCT的4UPS-PU機(jī)構(gòu)的剛度分布情況，并且與傳統(tǒng)情況下的剛度分布進(jìn)行了數(shù)值比較，通過

5、比較可知4UPS-PU機(jī)構(gòu)在傳統(tǒng)情況下的剛度分布值比基于CCT的剛度分布值小。其次以3UPS-PU并聯(lián)機(jī)構(gòu)為例分析了若干種剛度模型的區(qū)別與一致性，首先基于雅克比矩陣計(jì)算法求出該機(jī)構(gòu)的傳統(tǒng)剛度矩陣模型;在視中間支鏈為剛性桿的情況下，基于運(yùn)動靜力學(xué)與虛功原理推導(dǎo)出該機(jī)構(gòu)的柔度矩陣模型;對于并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作在奇異位形或接近奇異位形時，傳統(tǒng)剛度矩陣主對角線上的元素不能準(zhǔn)確的反映機(jī)構(gòu)在這種特殊情況下的剛度，此處應(yīng)用靈活剛度模型來評估機(jī)構(gòu)的傳動能力;通