空间机构的运动学分析及新型并联变胞机构的设计

摘要

空间机构的运动学研究是机器人机构学研究的最重要也最基础的部分，给机器人机构的实际应用提供理论支持。本文以空间一般7R串联机构、一般6-6Stewart并联机构及广义并联机构的运动学问题为研究对象，对其求解模型、算法理论和求解过程等方面进行了研究，给出了一些新的求解方法，同时对并联变胞机器人机构进行了研究，给出了创新性的设计，并对其变胞过程中自由度的变化进行了分析。主要的研究内容和创新成果如下： (1)在研究了对偶四元数理论在串联机构中建模方法的基础上，对空间一般7R机构的位置反解进行了分析，建立了约束方程，通过对获得的四个位置约束方程构造Dixon结式，得到一个6×6的行列式等于零的矩阵，去掉其中相关的公因式，导出了既无增根也无漏根的一元16次方程，并使用数值算例验证了其全部根。此方法简洁明了，易于程序实现，为空间7R机构的应用提供了新的理论基础。 (2)通过应用Calay公式描述旋转矩阵，建立了空间一般6-6Stewart并联机构的运动学约束方程，并由此推导出6个只含三个未知量的多项式方程组，应用Grobner基法求该6个多项式组的基并去掉其中的增根，构造了13×13Sylvester矩阵，由方程组有解的条件令该矩阵的行列式等于零导出了不含增根的一元40次的输入输出方程。该解法中构造的矩阵尺寸为已知文献解析方法中最小的。 (3)对高小山提出的广义并联机构进行了研究，以其中具有角度约束的并联机构进行了分析，选取具有一个、两个、三个和零个角度约束类型中各一个机构进行了运动学正解求解，其中3-CCC是一种全部由圆柱副构成的具有三个线线角度和三个距离约束的新型并联机构，文中分别用Calay公式和方向余弦两种旋转矩阵建模方法对其位置正解进行了分析，通过对三个角度约束方程分别构造Dixon结式和Sylvester结式，以及对三个距离约束方程进行变量代换分别导出了位置正解输入输出方程，得出64组位置正解，并使用数值算例验证了其全部根。采用VC++6.0与OpenGL相结合对其进行了三维建模和运动仿真。 2CCC-4SPS为一种具有两个线线角度和四个点点距离约束的新型并联机构，对结构和运动学正解进行了研究，通过Sylvester结式及Grobner基导出了位置正解输入输出方程，得出32组位置正解；1CCC-5SPS是一种具有一个线线角度和五个点点距离约束的新型并联机构，通过Grobner基的原理导出了一元40次位置正解输入输出方程；6CCS为一种由圆柱付、圆柱付和球面付构成的点、线约束的新型并联机构，通过对三个位置约束方程构造Dixon结式，去掉其中线性相关的3行3列，导出了一元64次输入输出方程，根据位置的8个解与姿态解互相解耦的特点，其运动学正解共有512个。以上求解均使用数值算例验证了其全部根。 (4)通过对传统的Hooke铰进行分析和改进，本文给出了一种新型的三自由度铰链，称为rT铰。该铰链除了一般Hooke铰的两个轴线互相垂直相交的旋转自由度外，还增加了一个可以调节该两个轴线之一的姿态的一个旋转自由度，通过此自由度调节该rT铰到不同的装配构型，可以改变用其装配的并联机构的自由度，由此产生两类新型的并联变胞机构： 一类是机构的各个支链中都有rT铰，该铰链的不同构型可以改变各支链对运动平台的约束或整个支链组的组合形式而改变机构的自由度状态，3(rT)PS和3(rT)C(rT)属于前者，通过调节rT铰到不同构型可以使其支链产生或消失局部自由度，从而减少或增加支链对运动平台的约束，使得并联变胞机构3(rT)PS和3(rT)C(rT)分别具有自由度从3变到6和从1变到6的能力；3(rT)P(rT)属于改变支链组组合形式的机构，其rT铰的不同构型将改变整个支链组的几何约束组合，使得并联变胞机构3(rT)P(rT)可以有三转动、三平动或三平移一转动的自由度形式。 另一类并联变胞机构为上下平台中间有一个含有rT铰的中间支柱而周边支链不含rT铰且对运动平台不提供约束的机构，则该类机构的自由度取决于中间支柱的约束形式，3SPS-1(rT)P(rT)为该类机构，通过改变rT铰到不同构型，可以使其有4或5个自由度。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 空间机构运动学和变胞机构研究的历史及现状

1.2.1空间一般7R串联机构的运动学反解

1.2.2空间一般-66 Stewart并联机构的运动学正解

1.2.3 广义并联机器人机构的研究

1.2.4 变胞机构的研究

1.3 本论文的研究内容

第2章 非线性方程组消元的基本理论

2.1 引言

2.2结式消元法

2.2.1 Sylvester结式消元法

2.2.2迪史逊(Dixon)结式消元法

2.3 GROEBNER基消元法

2.3.1 Gr(o)ebner基法中多项式变量及项的排序方法

2.3.2 Gr(o)ebner基法的计算法程

2.4 本章总结

第3章 空间7R机构位置反解的新算法

3.1 引言

3.2 四元数与对偶四元数

3.2.1 四元数

3.2.2 对偶四元数

3.3 运动学方程的建立、求解及实例分析

3.3.1 约束方程的推导

3.3.2 θ角的求解

3.3.3 数字实例

3.4本章总结

第4章 一般6-6STEWART并联机构的运动学正解

4.1 引言

4.2约束方程的建立

4.3 求解过程

4.3.1推导出只含S1,S2,和S3的6个约束方程

4.3.2运用Grobner革法求解

4.3.3 求解基它变理

4.4数字实例

4.4.1 实例1

4.4.2 实例2

4.5本章总结

第5章 广义并联机构的运动学正解及仿真

5.1 引言

5.2 具有三个角度约束的并联机构的运动学正解及仿真

5.2.1 3-CCC并联机构的由由度分析

5.2.2 约束方程的建立

5.2.3求解过程

5.2.4 数值算例

5.2.5 3-CCC并联机构的三维建模及运动仿真

5.2.6 小结

5.3 3-CCC并联机构的运动学分析二

5.3.1运动学方程的建立

5.3.2 求解过程

5.3.3 3-CCC并联机构的束度分析

5.3.4 3-CCC并联机构的加速度分析

5.3.5 数值算例

5.3.6 小结

5.4 具有二个角度约束的并联机构的运动学正解

5.4.1 自由度的分析

5.4.2运动学方程的建立

5.4.3.求解过程

5.4.4数字实例

5.4.5 小结

5.5 具有一个角度约束的并联机构的运动学正解

5.5.1 自由度分析

5.5.2运动学方程的建立

5.5.3运用Grobner基法求解

5.5.4数值算例

5.5.5 小结

5.6 新型6-CCS并联机构的运动学正解

5.6.1自由度分析

5.6.2 运运学方程的建立

5.6.3 方程求解

5.6.4 数值算例

5.6.5 小结

5.7本章总结

第6章 新型并联变胞机构的设计与分析

6.1 引言

6.2 螺旋理论及修正的并联机构自由度计算公式

6.3 新rT铰链的设计

6.4 新型并联变胞机构3(rT)PS

6.5新型并联变胞机构3(rT)P(rT)

6.5.1平动型并联机构3(rT)P(rT)

6.5.2 纯转动型并联机构3(rT)P(rT)

6.5.3 4自由度并联机构3(rT)P(rT)

6.6 新型并联变胞机构3(rT)C(rT)

6.6.1六自由度

6.6.2 五自由度

6.6.3 四自由度

6.6.4三自由度

6.6.5 二自由度

6.6.6 一自由度

6.6 7 另一个1自由度的情况

6.7含有中间支链的新型并联变胞机构

6.8本章总结

第7章总结和展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致 谢

作者攻读博士学位期间发表的学术论文