繩索-彈簧混聯(lián)機(jī)構(gòu)特性分析.pdf

1、繩索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有高精度、高負(fù)載、重量輕、慣量小、工作空間大的特點(diǎn)，已應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù)設(shè)備、重型起重設(shè)備、高速機(jī)械制造等領(lǐng)域。但是由于繩索只能承受拉力而不能承受壓力，因此n自由度的繩索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)至少要由n+1根繩索來(lái)驅(qū)動(dòng)。這種冗余驅(qū)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致索力求解非常復(fù)雜，給機(jī)構(gòu)控制帶來(lái)很大的難度，同時(shí)也增加了機(jī)構(gòu)的成本。如果給繩索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)中加入彈簧構(gòu)成繩索-彈簧混聯(lián)機(jī)構(gòu)，由彈簧來(lái)提供被動(dòng)力，則可以使繩索數(shù)目與自由度數(shù)目相等的繩索-彈簧混聯(lián)機(jī)構(gòu)中

2、的繩索保持一定的張緊力，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。這樣既可以保持繩索驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)本身的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又可以避免繩索單向受力的不足。本文主要工作就是對(duì)此繩索-彈簧混聯(lián)機(jī)構(gòu)特性進(jìn)行分析。主要工作如下：
　　1)將繩索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)的雅克比矩陣推廣到繩索-彈簧混聯(lián)機(jī)構(gòu)之中。根據(jù)力旋量封閉空間原理提出了繩索-彈簧混聯(lián)機(jī)構(gòu)可行工作空間的求解方法。并對(duì)不同布置方式的混聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間進(jìn)行了仿真計(jì)算。提出了單一變量法來(lái)分析彈簧的布置位置、初始長(zhǎng)度、勁度系數(shù)對(duì)混聯(lián)機(jī)構(gòu)的

3、工作空間的影響；并分析了彈簧參數(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)工作空間的綜合影響的敏感度。提出了針對(duì)彈簧-繩索混聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型優(yōu)化的遺傳算法程序操作流程；并對(duì)機(jī)構(gòu)中彈簧參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，得到了具有3根繩索1根彈簧的繩索-彈簧混聯(lián)機(jī)構(gòu)的最優(yōu)構(gòu)型。提出了衡量工作空間質(zhì)量的指標(biāo)，并對(duì)繩索-彈簧混聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間質(zhì)量進(jìn)行了計(jì)算分析。
　　2)在繩索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上提出了針對(duì)繩索-彈簧混聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的理論方法；分別從位置、速度、加速度、靜力學(xué)四個(gè)方

4、面對(duì)繩索-彈簧混聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析進(jìn)行了理論闡述和相關(guān)公式的推導(dǎo)；得到了位置方程、一階影響系數(shù)矩陣、二階影響系數(shù)矩陣和包含彈簧力在內(nèi)的力旋量平衡方程。并對(duì)位置的正逆解，速度逆解、加速度逆解、靜態(tài)繩索拉力解進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。
　　3)建立了繩索-彈簧混聯(lián)機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器的動(dòng)力學(xué)模型，并將其與驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)模型聯(lián)立建立了機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)繩索-彈簧混聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛度進(jìn)行了分析；推導(dǎo)了主動(dòng)剛度的海瑟矩陣的表達(dá)式，建立了系統(tǒng)整體剛度模型，

5、并分析了加入彈簧對(duì)系統(tǒng)剛度的影響；對(duì)繩索-彈簧混聯(lián)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)特性做了分析，通過(guò)將多元非線性方程組線性化建立了系統(tǒng)的振動(dòng)方程。對(duì)動(dòng)力學(xué)模型、剛度模型和固有頻率進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算。
　　4)在 ADAMS軟件中分別建立了繩索-彈簧混聯(lián)機(jī)構(gòu)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型；在 SIMULINK中建立逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和逆動(dòng)力學(xué)模型；ADAMS和SIMULINK中的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型仿真結(jié)果的一致性證明了本文運(yùn)動(dòng)學(xué)分析數(shù)學(xué)模型的正確性。通過(guò)MATLAB和A