柔索驱动空间两自由度并联机构运动学与动力学分析

摘要

随着工业技术的不断提高，机构的研究也得到蓬勃发展。近几年，机构在轻量化、高效率、高定位精度等方面得到广泛应用与发展。采用柔索代替连杆作为机构的驱动元件，同时，结合并联结构的特点，形成一种低质量、低转动惯量、高精度、高负载能力的新型柔索并联机构，在国内外引起广泛关注，具有很高的研究价值。本论文介绍了一种带有约束机构的三柔索驱动并联机构，机构通过刚性支撑杆支撑，形成了一种刚柔结合的新型并联机构。 本文的主要工作如下： （1）理论研究。介绍并研究机构的构型，分析讨论了机构的自由度。柔索驱动并联机构是一种采用柔索代替连杆，依靠冗余驱动实现完全约束的并联机构。通过封闭矢量方法，建立机构的运动学模型。采用MATLAB软件进行实例仿真计算，模拟运动平台分别绕x'轴、y'轴旋转，得到柔索的长度、速度以及加速度随时间的运动变化曲线。利用运动平台中心点单位法向量的终点所能达到的区域，讨论柔索驱动并联机构的工作空间，分析其运动情况。依据机构的运动情况，对机构进行轨迹规划，并利用MATLAB计算与仿真分析。对运动平台受力分析，建立静力学平衡方程，求出力雅克比矩阵。动力学模型是控制系统设计的基础，分析系统的动力学模型，主要包括运动平台动力学方程和驱动器动力学方程两部分的建立。分析影响柔索驱动并联机构刚度的因素，重点分析柔索位形变化的影响，建立刚度矩阵并得出其评价指标。 （2）仿真建模。建模包括刚体结构和柔索两方面建模。利用SolidWorks软件对运动平台、固定平台以及连接上述两平台的约束支撑杆三部分进行刚性建模，并装配成装配体。基于ADAMS软件，对柔索驱动并联机构的柔索部分进行建模。分别讨论了几种不同的建模方法，重点分析了ADAMS/Machinery Cable模块与Bushing法的建模过程。并对柔索驱动并联机构的模型进行仿真，使机构分别绕x'、y'两轴旋转，得出各柔索的连续变化曲线。通过对比MATLAB计算仿真曲线，验证仿真的有效性。 （3）应用开发。简单分析了基于柔索驱动并联机构的应用，主要在两方面讨论。 a）卷绕型。将机构类似关节首尾串联，可应用于仿生象鼻机构、仿生蛇机构等。其中，针对象鼻机构和蛇机构设计两种驱动方式，一种是采用三根柔索连接所有串联机构，通过控制箱总体控制机构的运动；另一种是分段控制，每个关节机构均有自身的控制箱，以此调控机构的运动。 b）负载型。与运动平台固连其他机构，构成新型机构。可应用于仿生眼定位机构、多指关节机构、仿生脊柱机构以及医疗脚踝康复机构等。最后，利用MATLAB软件对机构进行仿真与分析。

目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2课题的研究背景及意义

1.3柔索并联机构的发展及现状

1.4主要研究内容及方法

第二章 柔索驱动并联机构运动学性能分析

2.1机构构型与自由度分析

2.2运动学分析

2.3工作空间分析

2.4轨迹规划及运动学仿真

2.5本章小结

第三章 柔索驱动并联机构动力学性能分析

3.1静力学分析

3.2动力学分析

3.3刚度矩阵分析

3.4本章小结

第四章 柔索驱动并联机构建模分析与应用开发

4.1引言

4.2 ADAMS模型创建与仿真分析

4.3应用开发与仿真

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢