三自由度并联机器人机构多目标优化与刚度性能研究

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作者：

韦斌

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摘要：

并联机构具有高刚度、高精度、承载能力强、反映速度快等优点,越来越多的被应用于宏观与微观领域,如驾驶模拟器、并联运动机床、大型射电望远镜、并联构型加工装配装备、仿生救援机器人、医疗辅助设备、纳米级微动机构、传感器设备等诸多领域。近年来,少自由度(2-5自由度)并联机构的构型设计与性质研究等问题已经成为并联机构领域中重要的研究方向和前沿技术。本论文以三自由度并联机构为研究对象,围绕可以实现空间三维纯移动的3UPU机构、可以实现空间三维纯转动的3SPS-S机构、可以实现空间转动和移动的4UPS-PU机构等几种典型的三自由度并联机构开展了多目标优化与刚度性能的研究。主要内容概括如下: 1、围绕三类典型三自由度并联机器人机构,建立机构模型与运动学模型,进行运动学分析及雅克比矩阵的求解。 2、围绕三类机构的功能特点与优化需求,建立运动学性能评价指标模型,进行运动学性能评价。对于3UPU机构,采用工作空间体积作为工作空间评价指标,采用全局刚度作为刚度性能评价指标;对于3SPS-S机构,视中间支链为刚性杆,采用柔度矩阵主对角线上元素的均值与方差的和作为刚度评价指标,使用全局条件指数作为工作空间评价指标;采用雅克比矩阵的条件数作为机构灵巧性评价指标;对于4UPS-PU机构,视中间支链为刚性杆,采用刚度矩阵主对角线上的元素之和作为刚度性能评价指标,用全局条件指数作为工作空间评价指标,用雅克比矩阵的条件数作为机构灵巧性评价指标。 3、运用粒子群优化算法、Pareto多目标优化法,针对3UPU、3SPS-S、4UPS-PU三类三自由度并联机构,在满足机构功能要求和各种约束条件的前提下,以机构刚度、工作空间和运动灵巧性为目标函数,建立并联机构的多目标优化设计模型,求解上述机构参数的最优值,解决并联机构刚度、工作空间和运动灵巧性等性能指标综合最优问题,建立了优化求解的一般流程。 4、以4UPS-PU机构为例,分析基于CCT的4UPS-PU机构的刚度分布情况,并且与传统情况下的刚度分布进行了数值比较,通过比较可知4UPS-PU机构在传统情况下的刚度分布值比基于CCT的刚度分布值小。其次以3UPS-PU并联机构为例分析了若干种刚度模型的区别与一致性,首先基于雅克比矩阵计算法求出该机构的传统刚度矩阵模型;在视中间支链为刚性杆的情况下,基于运动静力学与虚功原理推导出该机构的柔度矩阵模型;对于并联机构工作在奇异位形或接近奇异位形时,传统刚度矩阵主对角线上的元素不能准确的反映机构在这种特殊情况下的刚度,此处应用灵活刚度模型来评估机构的传动能力;通过比较这几种不同刚度模型可知运动静力学刚度模型与传统刚度模型最接近。

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关键词：

三自由度 并联机器人机构 运动学性能 多目标优化