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空间两自由度冗余驱动摇摆台的关键技术研究

作　者: 郝登运
导　师: 杨志永
学　校: 天津大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 并联机构 冗余驱动 尺度综合 刚体逆动力学 动力学性能评价
分类号: TH112
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


本文首先详细叙述了重型摇摆台的发展历程及国内外研究现状。提出了一种新型空间两自由度冗余驱动摇摆台机构。本文系统的研究了机构的概念设计、逆运动学分析、尺度综合、位置正解、轨迹规划、动力学分析等关键性问题。全文得到如下结论:本文提出一种新型空间两自由度冗余驱动摇摆台机构,该机构具有较高的刚度、较强的承载能力、较优的操作性能及动力学性能等优点,特别适用于重载、工作空间要求较大的工作场合。采用矢量法,构建空间两自由度冗余驱动摇摆台的位置、速度逆解模型,求出速度雅克比矩阵;通过对雅克比矩阵的奇异值分析,发现最小奇异值是较合适的运动学性能评价指标。根据设计空间内全域优化目标函数随优化参数的变化规律,从而确定出部分设计参数的全域最优解。引入UPU支链有效行程与最小杆长比值的约束条件,将确定机构其余设计参数的问题,归结为一类依据K-T条件求解有约束条件的非线性规划问题,最终确定出所有设计参数。采用Newton-Raphson迭代法求解空间两自由度冗余驱动摇摆台的位置正解问题,并通过算例验证,Newton-Raphson迭代法是一种高效的数值算法,完全能够满足实时监控的要求。采用正弦方法,根据工作条件要求,求出机构末端(动平台)的运动轨迹、角速度以及角加速度变化曲线,通过仿真验证了所采用方法的合理性。利用虚功原理构建空间两自由度冗余驱动摇摆台的刚体逆动力学模型,采用驱动力优化方法,求出机构的最优驱动力。通过三种能够实现两转动自由度要求的方案在给定运动轨迹条件下驱动力的变化规律的对比,发现第三种方案即本论文所采用方案最优。以刚体逆动力学模型为基础,提出了一种完全具有互补性同时兼顾加速度项、速度项及重力项影响的全域动力学性能评价指标,该方法适用于重载、冗余驱动的并联机构。通过仿真,验证了所采用方法的合理性及结论的正确性。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-17
  1.1 课题研究的背景及意义  8-13
  1.2 国内外研究状况  13-15
    1.2.1 冗余并联机构  13
    1.2.2 尺度综合  13-14
    1.2.3 位置正解及轨迹规划  14-15
    1.2.4 刚体动力学  15
  1.3 本论文所要研究的主要内容  15-17
第二章 运动学分析与尺度综合  17-27
  2.1 引言  17
  2.2 概念设计  17-18
  2.3 运动学分析  18-21
  2.4 尺度综合  21-26
    2.4.1 设计变量  21
    2.4.2 全域运动性能评价指标  21-23
    2.4.3 机构几何约束  23
    2.4.4 优化设计  23-25
    2.4.5 算例  25-26
  2.5 结论  26-27
第三章 位置正解及轨迹规划  27-34
  3.1 引言  27
  3.2 位置正解  27-30
  3.3 轨迹规划  30-32
    3.3.1 运动描述  30
    3.3.2 轨迹规划方法  30-31
    3.3.3 运动轨迹仿真  31-32
  3.4 算例与仿真  32-33
    3.4.1 算例  32-33
  3.5 结论  33-34
第四章 刚体动力学分析  34-49
  4.1 引言  34
  4.2 运动学分析  34-38
    4.2.1 位置分析  35
    4.2.2 速度分析  35-37
    4.2.3 加速度分析  37-38
  4.3 动力学分析  38-41
    4.3.1 作用力和惯性力分析  38-39
    4.3.2 逆动力学方程  39-41
  4.4 动力学性能评价  41-43
    4.4.3 由加速度项引起的驱动力  42
    4.4.4 由速度项引起的驱动力  42
    4.4.5 由重力项引起的驱动力  42
    4.4.6 动力学性能评价指标  42-43
  4.5 仿真与算例  43-47
    4.5.1 驱动力优化算例  44-46
    4.5.2 动力学性能评价算例  46-47
  4.6 结论  47-49
第五章 全文总结  49-51
  5.1 结论  49-50
    (1) 概念设计方面  49
    (2) 运动学设计方面  49
    (3) 位置正解及轨迹规划方面  49-50
    (4) 动力学方面  50
  5.2 工作展望  50-51
参考文献  51-57
发表论文和科研情况说明  57-58
致谢  58

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 机械学（机械设计基础理论） > 机构学
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