一类一平移两转动解耦并联机构及其位移分析

作者:李惠良;金琼;杨廷力 刊名:机械制造与自动化 上传者:黄昌新

【摘要】基于机构结构组成理论 ,揭示了机构运动解耦特性与机构活动度及其判定准则之间的内在联系 ,提出了拓扑解耦并联机构型综合的基本原理 :综合出一类 3自由度并联机构 ,其期望运动输出为一平移两转动 ,非期望运动输出为常量 :机构运动输入输出呈完全解耦关系 ,位置分析相当简单 ,从而显著简化了该类机构的控制与轨迹规划问题。

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1前言大多数并联机器人机构具有6个自由度,需要6个支路及6个主动副元件(,2000)。然而,由于实际应用的需要,目前对结构简单、驱动元件少、成本低、工作空间比较大的少自由度并联机器人机构的研究,已经成为机构学领域的一个热点问题。常见的3自由度并联机器人机构主要有:三平移机构(,2000)、三转动机构(1989)、两平移一转动机构(1988)与一平移两转动机构。前三类目前已可实现非期望输出运动为常量,即三平移机构不存在转动输出,三转动机构不存在移动输出,第三类可归为平面机构也较易实现。至于第四类机构,尚未能实现非期望输出为常量,通常仍存在6个输出运动,如(1988)之3机构,(1997)的3卫星跟踪天线机构,.(2000)之用于望远镜第二镜片像差调整的3机构等。尽管这些机构均有三个方向的独立输出(如可人为地选择2个转动与1个移动为独立输出运动),但仍不可避免地存在着另三个方向的非独立输出。很多时候,这种非期望的输出运动是极为不利的。为此,.(2000)专门从结构参数入手,采用优化方法最大限度地消除这种非独立输出的影响,但其处理甚为复杂。该问题的解决应从设计具有解耦特性的并联机构入手。为此,探讨了解耦机构的结构组成规律,综合一类实用的三自由度解耦并联机构,其动平台运动输出为沿一个方向的独立平移和沿另外两个方向的独立转动,且非期望输出为常量,其解耦特性可使机构的控制与轨迹规划得到极大简化。2并联机构的解耦性21解耦性定义并联机构输出构件的运动输出矩阵为()()()()()(),=1(1)式中,()、()、()为动坐标系(附着于输出构件)原点的坐标;()、()、()为动坐标系的三个欧拉角;为第个主动输入的广义变量;为机构的活动度。由式(1)可定义机构运动输出输入之间的解耦性:若每个输出变量、、、、、均为所有主动输入1的函数,则称输出输入为强耦合关系[见式(2)];若、、、、、中某些输出变量只是部分输入变量1(<)的函数,则称输出输入为部分解耦。当输出输入变量间存在一一对应关系时,则称为完全解耦[见式(2)]。除此而外,输入与输出变量间关系还可能呈三角化[见式(2)]或梯形化[介于式(2)、(2)之间]形式。三角化解耦对应于完全解耦,梯形化解耦对应于部分解耦。=(1,2,…,)=(1,2,…,)=(1,2,…,)=(1,2,…,)=(1,2,…,)=(1,2,…,)(2)=(1)=(2)=(3)=(4)=(5)=(6)(2)=(1)=(1,2)=(1,2,3)=(1,2,3,4)=(1,2,3,4,5)=(1,2,3,4,5,6)(2)(2)机构解耦程度越高,其运动学、动力学分析越易,可极大简化机器人的控制与轨迹规划问题。从机器人机构的工作性能考虑,追求输出与输入变量间的解耦性是型综合的目标之一。22并联机构的结构组成原理任一并联机构可视为由个主动副与若干基本运动链组合而成。所谓基本运动链()是指活动度为0,且去掉一个或若干个构件其活动度总大于0的最小运动闭链单元,用符号[0,,]表示,0表示活动度数,表示所含基本回路数,表示运动链的耦合度(详见参考文献8)。例如,图1机构就由两个主动副1、9和两个基本运动链1[0,1,0]与2[0,1,0]组合而成。其中2的一个构件被拆开,其两端运动副附着于1之两构件上。图1含有两个的机构并联机构可分两大类:只含一个的机构与含有多个的机构。本文重点讨论含多个的并联机构。24含多个的并联机构的解耦性拓扑解耦241活动度类型)当机构任一从动件相对于机架的运动方位是所有主动输入的函数时,该机构具有完全活动度。)当机构的部分从动

参考文献

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