六自由度運動模擬平臺的分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化.pdf

1、相對于串聯(lián)機器人而言，Gough-Stewart平臺具有精度高和承載能力強等優(yōu)點，被廣泛用作各種六自由度運動模擬平臺。由于虎克鉸比球鉸的轉(zhuǎn)角范圍大、且比球鉸能承受更大的拉力，從而六自由度運動模擬平臺一般用虎克鉸作為被動副，把液壓缸或電動缸連接于動平臺和靜平臺上。由于液壓缸和電動缸中的活塞以及活塞桿不僅沿軸線方向作直線主動運動，還能繞軸線方向被動地轉(zhuǎn)動，即為圓柱副，而不是移動副，從而實際上六自由度運動模擬平臺是6-UCU（虎克鉸-圓柱副-

2、虎克鉸）并聯(lián)機器人，而不是通常所說的6-U P S（虎克鉸-移動副-球鉸）并聯(lián)機器人。
　　為了得到性能優(yōu)良的六自由度運動模擬平臺，首先需要對其運動學和動力學特性進行分析，然后需要通過優(yōu)化設(shè)計得到性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　六自由度運動模擬平臺的運動學反解分析和動力學反解分析是其機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的基礎(chǔ)?；谏稀⑾裸q采用虎克鉸、中間采用圓柱副的實際結(jié)構(gòu)形式，在建立完整運動學反解的基礎(chǔ)上，本文利用牛頓——歐拉方程方法與達朗貝爾原理

3、，建立了六自由度運動模擬平臺的完整動力學反解模型。完整運動學反解分析和完整動力學反解分析分別得到了六自由度運動模擬平臺各組成部分的運動狀況和受力狀況。在分析過程中得到了兩種導致分母為零的特殊的虎克鉸軸線方向布置形式。最后通過仿真實例驗證了本文所建立的完整運動學反解模型和完整動力學反解模型的正確性。
　　當六自由度運動模擬平臺在工作空間內(nèi)存在奇異時，其動靜態(tài)特性將發(fā)生變化。為了得到性能優(yōu)良的六自由度運動模擬平臺，需要在設(shè)計過程中進行

4、奇異性分析和奇異性檢測，使設(shè)計得到的機械結(jié)構(gòu)參數(shù)在所需要的工作空間內(nèi)不存在奇異位姿。由于虎克鉸軸線布置方向會影響六自由度運動模擬平臺的奇異性，從而本文考慮主動移動副和被動副虎克鉸的影響對其奇異性進行分析。首先根據(jù)造成六自由度運動模擬平臺奇異的不同原因，把奇異性分為兩類：支路奇異與驅(qū)動奇異，然后應(yīng)用螺旋理論分析得到了產(chǎn)生兩種奇異類型的條件。通過分析得到了兩種導致六自由度運動模擬平臺處于支路奇異位姿的情況，即當虎克鉸固定于動平臺或固定于靜平

5、臺上轉(zhuǎn)軸的軸線與主動副的軸線共線時，六自由度運動模擬平臺處于支路奇異位姿。為了對六自由度運動模擬平臺的全部類型的奇異都能檢測，本文相應(yīng)地提出了可直接檢測得到六自由度運動模擬平臺在整個六維給定工作空間或六維可達工作空間內(nèi)是否存在奇異位姿結(jié)論的奇異性檢測算法。通過實例分析驗證了本文所提出的奇異性檢測算法的有效性。
　　本文對六自由度運動模擬平臺的兩個常用性能指標函數(shù)——基于運動學雅克比矩陣的條件數(shù)和可操作度進行了介紹。由于基于運動學傳

6、統(tǒng)雅克比矩陣的可操作度和條件數(shù)數(shù)值隨著傳統(tǒng)雅克比矩陣中元素表示單位的不同而發(fā)生變化，從而也對兩種常用構(gòu)造量綱統(tǒng)一的新雅克矩陣的方法——特征長度法和三點坐標法的具體推導過程進行了敘述。為了度量各個作動器動態(tài)特性的一致性，本章在鉸點工作空間內(nèi)定義了一個新的性能指標函數(shù)——基于廣義慣量矩陣的條件數(shù)，并且通過仿真實例驗證了新性能指標函數(shù)不隨廣義慣量矩陣中元素表示單位的不同而發(fā)生變化。
　　為了得到性能優(yōu)良的六自由度運動模擬平臺，需要對其結(jié)

7、構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。實際上機器人的設(shè)計通常不是一步到位的，而是多步迭代的過程，從而需要在設(shè)計的初始階段后能為設(shè)計者提供多個備選方案。六自由度運動模擬平臺的設(shè)計可以分為兩步，其中第一步設(shè)計過程中需依據(jù)運動學的要求進行結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計以滿足用戶對工作空間的需求。本文首先根據(jù)應(yīng)用需求的不同，把六自由度運動模擬平臺設(shè)計問題分為3類，然后提出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計算法。由于基于傳統(tǒng)運動學雅克比矩陣的條件數(shù)與可操作度能很好地表征六自由度運動模擬平臺的性