一類三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特性研究與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、隨著天文學(xué)的發(fā)展，望遠(yuǎn)鏡的分辨率要求越來越高，對(duì)副鏡的支撐提出了更高的要求，傳統(tǒng)的四翼梁式支撐結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦，但不能主動(dòng)校正副鏡的姿態(tài)，因此，設(shè)計(jì)具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)移動(dòng)自由度的副鏡支撐機(jī)構(gòu)，實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、高精度地調(diào)整副鏡相對(duì)主鏡的焦距和姿態(tài)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本文以望遠(yuǎn)鏡副鏡三自由度并聯(lián)支撐為背景，圍繞三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主線，開展了構(gòu)型設(shè)計(jì)與選型、運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)、精度分析與設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)等五方面

2、的研究。
　　 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)首先需要進(jìn)行構(gòu)型設(shè)計(jì)和選型。根據(jù)期望兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)移動(dòng)自由度的需求，采用約束螺旋理論設(shè)計(jì)了三支鏈、采用添加約束法設(shè)計(jì)了四支鏈對(duì)稱的三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)對(duì)稱、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、低慣性等定性指標(biāo)，以及伴隨運(yùn)動(dòng)小、全局條件數(shù)大、運(yùn)動(dòng)副剛度大精度好等定量指標(biāo)，最終選取3-RCU構(gòu)型作為望遠(yuǎn)鏡副鏡并聯(lián)支撐。
　　 本文提出分類建模方法，建立兩轉(zhuǎn)一移三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)

3、一運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、速度傳遞模型和誤差傳遞模型。根據(jù)并兩轉(zhuǎn)一移三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)和約束特性，分類建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;在此基礎(chǔ)上，建立了運(yùn)動(dòng)支鏈的D-H矩陣模型，全面反映各運(yùn)動(dòng)支鏈的運(yùn)動(dòng)副和桿件的運(yùn)動(dòng)特性;建立了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的速度傳遞模型，反映驅(qū)動(dòng)速度與動(dòng)平臺(tái)的有效位姿變化速度之間的映射關(guān)系，并得到機(jī)構(gòu)的速度Jacobian矩陣和全局條件數(shù)。同時(shí)，對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的姿態(tài)描述進(jìn)行了深入討論，引入zxz歐拉角法研究機(jī)構(gòu)的伴隨運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)空間，引入YXY歐拉角

4、法研究機(jī)構(gòu)速度Jacobian矩陣、全局條件數(shù)和誤差傳遞模型。
　　 考慮并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)移動(dòng)自由度，定義了兩個(gè)歐拉角和一個(gè)移動(dòng)的微小攝動(dòng)為機(jī)構(gòu)的有效位姿誤差，基于誤差攝動(dòng)原理和機(jī)構(gòu)的速度傳遞模型，建立了運(yùn)動(dòng)副安裝誤差（包括結(jié)構(gòu)偏差）、運(yùn)動(dòng)副間隙誤差和支鏈驅(qū)動(dòng)誤差（包括傳感誤差）等主要誤差源到動(dòng)平臺(tái)有效位姿誤差的全誤差模型;然后，推導(dǎo)了3-RCU并聯(lián)機(jī)構(gòu)的最大誤差模型，分析了各主要誤差源對(duì)動(dòng)平臺(tái)有效位姿誤差的誤差靈敏度;

5、最后，分別研究了基于靈敏度和基于成本的3-RCU并聯(lián)機(jī)構(gòu)精度設(shè)計(jì)，并采用遺傳算法實(shí)現(xiàn)了3-RCU并聯(lián)機(jī)構(gòu)的精度設(shè)計(jì)。
　　 根據(jù)兩轉(zhuǎn)一移三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，推廣了機(jī)器人包含工作空間和全姿態(tài)工作空間的概念，定義了兩轉(zhuǎn)一移并聯(lián)機(jī)構(gòu)的可達(dá)工作空間和靈活工作空間，以及工作空間體積;然后討論了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的約束條件，并基于區(qū)間分析方法計(jì)算了3-RCU并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間，分析了工作空間的形狀特點(diǎn)。
　　 確定以動(dòng)平臺(tái)半徑、連桿中

6、心位置長(zhǎng)度和驅(qū)動(dòng)行程與靜平臺(tái)半徑的比值為設(shè)計(jì)變量，分析了全局條件數(shù)、最大位姿誤差和工作空間體積等3個(gè)性能指標(biāo)隨3個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計(jì)得到3-RCU并聯(lián)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　 最后，利用Matlab GUI工具箱設(shè)計(jì)了兩轉(zhuǎn)一移三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)仿真平臺(tái)，重點(diǎn)研究了3-RCU并聯(lián)機(jī)構(gòu)的可視化運(yùn)動(dòng)仿真模塊。基于SolidWorks軟件建立了機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型，基于SimMechanics工具箱設(shè)計(jì)了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)控制