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三自由度并联机器人机构多目标优化与刚度性能研究

作　者: 韦斌
导　师: 崔国华
学　校: 河北工程大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 三自由度并联机构运动学性能多目标优化刚度
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-23
  1.1 引言  12-13
  1.2 课题研究背景与意义  13
  1.3 并联机器人机构研究及应用现状  13-17
    1.3.1 并联机器人机构的应用  13-15
    1.3.2 并联机器人的构型设计与尺度综合  15-17
    1.3.3 并联机器人的性能研究  17
  1.4 三自由度机器人的应用与研究现状  17-21
  1.5 本文的主要研究内容  21-22
  1.6 主要创新点  22-23
第2章三自由度并联机构的运动学求解  23-36
  2.1 引言  23
  2.2 3UPU 并联机构运动学求解  23-25
    2.2.1 机构模型的建立  23-24
    2.2.2 机构雅克比矩阵模型  24-25
  2.3 3SPS-S 并联机构运动学求解  25-30
    2.3.1 机构模型的建立  25-26
    2.3.2 机构位置逆解模型  26-27
    2.3.3 机构雅克比矩阵模型  27-30
  2.4 4UPS-PU 并联机构运动学求解  30-34
    2.4.1 机构模型的建立  30-31
    2.4.2 机构位置逆解模型  31
    2.4.3 机构雅克比矩阵模型  31-34
  2.5 本章小结  34-36
第3章运动学性能优化指标的建立及分析  36-50
  3.1 引言  36
  3.2 并联机构刚度性能指标的建立  36-45
    3.2.1 刚度矩阵模型  36-37
    3.2.2 全局刚度模型  37-38
    3.2.3 柔度矩阵模型  38-40
    3.2.4 应用算例及分析  40-45
  3.3 并联机构工作空间性能指标的建立  45-48
    3.3.1 工作空间求解模型  45-46
    3.3.2 良性工作空间求解模型  46-47
    3.3.3 应用算例及分析  47-48
  3.4 并联机构运动灵巧性评价指标的建立  48-49
  3.5 本章小结  49-50
第4章三自由度并联机构的多目标优化求解  50-64
  4.1 引言  50
  4.2 3UPU 并联机构的多目标优化求解  50-52
    4.2.1 设计变量的确定  50
    4.2.2 约束条件的选择  50
    4.2.3 目标函数的建立  50-51
    4.2.4 优化方法的选择  51
    4.2.5 优化求解及结果分析  51-52
  4.3 3SPS-S 并联机构的多目标优化求解  52-58
    4.3.1 设计变量的确定  53
    4.3.2 约束条件的选择  53
    4.3.3 目标函数的建立  53-54
    4.3.4 优化方法的选择  54
    4.3.5 优化求解及结果分析  54-58
  4.4 4UPS-PU 并联机构的多目标优化求解  58-63
    4.4.1 设计变量的确定  58
    4.4.2 约束条件的选择  58
    4.4.3 目标函数的建立  58-59
    4.4.4 优化方法的选择  59
    4.4.5 优化求解及结果分析  59-63
  4.5 本章小结  63-64
第5章三自由度并联机构的刚度性能分析  64-73
  5.1 引言  64
  5.2 并联机构 CCT 刚度模型  64
  5.3 并联机构运动静力学刚度模型  64-65
  5.4 并联机构灵活刚度模型  65
  5.5 并联机构最大最小刚度模型  65-66
  5.6 三自由度并联机构刚度求解算例分析  66-72
    5.6.1 基于 CCT 的 4UPS-PU 刚度模型求解分析  66-68
    5.6.2 3UPS-PU 并联机构的刚度求解比较分析  68-72
      5.6.2.1 传统刚度模型  69
      5.6.2.2 运动静力学刚度模型  69-70
      5.6.2.3 灵活刚度模型  70
      5.6.2.4 刚度模型比较  70-72
  5.7 本章小结  72-73
第6章总结与展望  73-75
  6.1 全文总结  73-74
  6.2 工作展望  74-75
致谢  75-76
参考文献  76-80
作者简介  80-81
攻读硕士学位期间参与的项目与科研成果  81-82

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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