一類球坐標(biāo)型混聯(lián)機(jī)器人靜剛度建模理論與方法研究.pdf

1、本文緊密結(jié)合新型可重構(gòu)5自由度混聯(lián)機(jī)器人TriVariant-B的樣機(jī)開發(fā)，系統(tǒng)研究了一類少自由度球坐標(biāo)型并聯(lián)構(gòu)型裝備的靜剛度解析和半解析建模、有限元分析、性能指標(biāo)評(píng)價(jià)及靈敏度分析等相關(guān)理論與方法。論文取得了如下創(chuàng)造性成果： □以Tricept和TriVariant系列5自由度混聯(lián)機(jī)器人為例，利用攝動(dòng)法提出一種構(gòu)造可描述含恰約束主動(dòng)/從動(dòng)支鏈球坐標(biāo)型并聯(lián)機(jī)構(gòu)全變形雅可比矩陣的建模方法，利用該矩陣可有效地分離出上述并聯(lián)機(jī)構(gòu)操作空間

2、變形與關(guān)節(jié)空間變形在驅(qū)動(dòng)和約束空間中的映射關(guān)系，進(jìn)而為后續(xù)整機(jī)靜剛度分析奠定了堅(jiān)實(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)。 □利用全變形雅可比矩陣和變形疊加原理，系統(tǒng)研究了少自由度球坐標(biāo)型并聯(lián)機(jī)構(gòu)靜剛度解析建模方法。該方法利用靜態(tài)凝聚技術(shù)和變形協(xié)調(diào)條件，有效地解決了恰約束支鏈彎曲剛度的精準(zhǔn)建模問題，修正了前人所提出的結(jié)論。研究結(jié)果表明，利用全變形雅可比矩陣建立的剛度模型具有列式簡(jiǎn)潔，物理意義明確，通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并充分體現(xiàn)了速度與剛度模型在數(shù)學(xué)層面上的內(nèi)

3、在聯(lián)系。 □以TriVariant-B機(jī)器人為例，提出一種計(jì)及復(fù)雜機(jī)架柔性的并聯(lián)構(gòu)型裝備整機(jī)靜剛度半解析建模方法。該方法基于結(jié)構(gòu)力學(xué)中的子結(jié)構(gòu)綜合思想，首先將整機(jī)系統(tǒng)分解為機(jī)構(gòu)和機(jī)架兩個(gè)子系統(tǒng)，然后建立各子系統(tǒng)的剛度矩陣，最后利用線性疊加原理構(gòu)造整機(jī)系統(tǒng)的剛度模型。在機(jī)架子系統(tǒng)剛度建模中，提出一種采用商用有限元軟件及靜態(tài)凝聚技術(shù)構(gòu)造機(jī)架子系統(tǒng)界面剛度模型的有效方法，大幅度提高了計(jì)算效率。利用這種建模方法，可在概念設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)整個(gè)

4、工作空間中的整機(jī)剛度快速預(yù)估，進(jìn)而為指導(dǎo)系統(tǒng)的詳細(xì)機(jī)械設(shè)計(jì)提供了有力的工具。 □借助商用有限元軟件ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言，系統(tǒng)研究了并聯(lián)構(gòu)型裝備中各種常用鉸鏈的有限元精確建模技術(shù)。提出一種可在不同位形下快速建立整機(jī)有限元模型的建模策略與實(shí)施方法，有效地提高了計(jì)算效率。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)造出計(jì)及復(fù)雜機(jī)架柔性的TriVariant-B混聯(lián)機(jī)器人整機(jī)剛度有限元模型，并對(duì)機(jī)架及連架虎克鉸等關(guān)鍵零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)做了有益的探討。 □

5、以TriVariant-B機(jī)器人為例，利用整機(jī)系統(tǒng)柔度矩陣的最大奇異值，提出一種可評(píng)價(jià)并聯(lián)構(gòu)型裝備線剛度和角剛度性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。利用該指標(biāo)并借助靈敏度分析方法，系統(tǒng)考察了該機(jī)器人關(guān)鍵部件彈性對(duì)整機(jī)剛度的貢獻(xiàn)，并揭示出機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)無約束主動(dòng)支鏈中的鉸鏈拉壓剛度和恰約束支鏈本體扭轉(zhuǎn)剛度是影響整機(jī)剛度的薄弱環(huán)節(jié)。另外，利用該指標(biāo)并采用多目標(biāo)遺傳算法研究了該機(jī)器人機(jī)構(gòu)尺度參數(shù)對(duì)整機(jī)剛度的影響，并據(jù)此提出了改進(jìn)方案。 □開展了TriVari