冗余六自由张拉并联机构设计与性能分析

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张拉并联机构是一种新型空间机构,其最初形态来源于张拉整体结构,是由绳索支链和刚性支链构成的自应力平衡体,既具有绳索机构质量轻盈、多稳态、易折叠等特点,同时具备传统刚性机构精度高、刚度好、承载能力大等优点。近年来,由于其优良特性,张拉并联机构在机器人、卫星天线、深空探测、波浪能收集等领域得到广泛研究与应用,并成为机构学中的重要研究方向之一。本文基于张拉整体结构的找形规则以及并联机构的构型综合原理,提出了一种冗余六自由度张拉并联机构,主要研究内容如下:(1)根据张拉整体结构的找形规则,提出基于粒子群-力密度算法的快速、高效的结构形态设计方法。以优选形态为基础,利用ASSUR机构组成原理,综合出三杆六自由度张拉并联机构的拓扑结构构型。(2)以优选的冗余六自由度张拉并联机构为研究对象,设计三维机械结构。根据其运动矢量模型,推导出机构的运动学方程,求解其位置正、反解数值解,并建立速度、加速度矢量方程。(3)建立机构的静态平衡方程,在此基础上,分析机构中绳索和刚性杆的内力分布规律,并以参数的P-范数为目标,对其内力分布进行优化。以运动学和静力学方程为基础求解了机构的可达工作空间,根据雅克比矩阵分析了机构的奇异性。(4)基于力传递性能构建冗余六自由张拉并联机构全局和局部的性能评价指标。使用可行空间表达两种指标的特征,并分析机构在驱动约束两种状态下性能指标在空间内的分布。(5)根据上述三维结构,搭建物理样机模型,通过其位置正反解检验,表明机构具有较为平稳的工作姿态。
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