并聯(lián)雙自由度轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)由于制造相對(duì)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì),結(jié)構(gòu)緊湊,特別適用于空間姿態(tài)變化的領(lǐng)域,近年來(lái)成為國(guó)際并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀做了分析研究,針對(duì)目前少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)普遍存在的不足:活動(dòng)構(gòu)件多、轉(zhuǎn)動(dòng)角度小、工作空間與結(jié)構(gòu)尺寸比小、運(yùn)動(dòng)方程和驅(qū)動(dòng)控制復(fù)雜、難以進(jìn)行精確補(bǔ)償、靈活性較差,在作業(yè)空間內(nèi)部存在桿件干涉和奇異位形等,提出新的研究方法“齊次方位輸出特征矩陣”,并據(jù)此展開(kāi)球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)中并聯(lián)雙自由度轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

2、的研究,設(shè)計(jì)出三種球面并聯(lián)雙自由度轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(RGRR-Ⅰ、RGRR-Ⅱ、RGRR-Ⅲ),經(jīng)過(guò)查新,國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)報(bào)道；對(duì)設(shè)計(jì)出的并聯(lián)雙自由度轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；對(duì)RGRR-Ⅰ進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和分析；運(yùn)用RGRR機(jī)構(gòu)構(gòu)造混聯(lián)機(jī)器人等。主要工作和創(chuàng)新如下:
　　 提出機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)學(xué)新的研究方法“齊次方位輸出特征矩陣”法。直角坐標(biāo)系和齊次坐標(biāo)將運(yùn)動(dòng)、變換和映射與矩陣運(yùn)算聯(lián)系起來(lái),這兩者均是空間機(jī)構(gòu)學(xué)研究的重要工具。拓?fù)淅碚摰耐?/p>

3、展可以幫助我們高效地構(gòu)造新機(jī)構(gòu)。目前拓?fù)湓O(shè)計(jì)理論中的方位特征矩陣的描述和坐標(biāo)系無(wú)關(guān),針對(duì)直角坐標(biāo)系下的任務(wù)需求進(jìn)行機(jī)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)時(shí),需要尋求一種方法以直觀地描述機(jī)構(gòu)在直角坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)特征；故在直角坐標(biāo)系、齊次坐標(biāo)、現(xiàn)有的拓?fù)淅碚摶A(chǔ)上,提出“齊次方位輸出特征矩陣”法,簡(jiǎn)稱“齊次特征陣”,用變量描述機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副特性,用常量描述構(gòu)件之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,以直觀地描述機(jī)構(gòu)在直角坐標(biāo)系下運(yùn)動(dòng)特征、拓展拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法的運(yùn)用范圍。“齊次方位輸出特征矩陣”和

4、拓?fù)淅碚撝蟹轿惶卣鬏敵鼍仃囈粯?不描述奇異位形。
　　 提出一種運(yùn)用齊次特征陣進(jìn)行并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的新方法,并據(jù)此設(shè)計(jì)出四款并聯(lián)雙自由度轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu),分別為RGRR-Ⅰ、RGRR-Ⅱ、RGRR-Ⅲ和RGGR(機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu))。其中RGRR-Ⅰ、RGRR-Ⅱ、RGRR-Ⅲ三款并聯(lián)雙自由度轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外檢索中未見(jiàn)報(bào)道。RGRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)有望催生許多新裝備,具有廣闊的運(yùn)用前景,運(yùn)用這技術(shù)申請(qǐng)并得到授權(quán)專利多項(xiàng)(見(jiàn)附錄),其中發(fā)明專利共軛球心

5、三軸轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和實(shí)用新型專利靈巧回轉(zhuǎn)多軸工作臺(tái)的使用權(quán)已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給揚(yáng)州保來(lái)得科技實(shí)業(yè)有限公司。
　　 分析研究RGRR機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。分別研究RGRR-Ⅰ、RGRR-Ⅱ和RGRR-Ⅲ的運(yùn)動(dòng)學(xué),得出RGRR-Ⅰ可以實(shí)現(xiàn)繞固定坐標(biāo)系z(mì)軸的擺動(dòng),幅度為-90°-90°,以及繞擺動(dòng)軸x1軸的360°的轉(zhuǎn)動(dòng)；RGRR-Ⅱ、RGRR-Ⅲ型并聯(lián)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)繞固定坐標(biāo)系z(mì)軸360°的轉(zhuǎn)動(dòng),以及繞旋轉(zhuǎn)軸y1軸做-90°-+90°的擺動(dòng)。這三款并聯(lián)雙自由度

6、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均有活動(dòng)構(gòu)件少(僅三個(gè)活動(dòng)構(gòu)件)、工作空間/機(jī)構(gòu)尺寸比大、機(jī)構(gòu)耦合度為零、無(wú)奇異位形等優(yōu)點(diǎn)。在上述工作的基礎(chǔ)上,分析RGRR-Ⅰ、RGGR(機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu))的區(qū)別,得出RGRR-Ⅰ比RGGR具有更高的剛度、更好的適用性。
　　 運(yùn)用RGRR-Ⅰ制造了并聯(lián)雙自由度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和并聯(lián)擺動(dòng)刀頭這兩種機(jī)床部件,并進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試與分析,得出RGRR-Ⅰ并聯(lián)雙自由度機(jī)構(gòu)具有高剛度的優(yōu)點(diǎn)。
　　 對(duì)混聯(lián)機(jī)器人的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研

7、究。研究RGRR機(jī)構(gòu)組成混聯(lián)6R、5RP機(jī)器人的構(gòu)型；提出一種混聯(lián)機(jī)器人求解的新方法,即通過(guò)建立少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)參數(shù)與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)輸入?yún)?shù)之間的關(guān)系,把混聯(lián)機(jī)器人的求解轉(zhuǎn)化為各關(guān)節(jié)的求解和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)參數(shù)之間的串聯(lián)求解,這樣可以簡(jiǎn)化求解過(guò)程,運(yùn)用此方法對(duì)RGRR-Ⅰ構(gòu)造的混聯(lián)6R機(jī)器人、5RP機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析,并分別得到它們的正、反解。在仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)中,提出一種研究方法“重要性/權(quán)重法”以作為所仿生物關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化的依據(jù)。由于多年