【摘 要】
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并联机构自问世以来,吸引了大量国内外学者投入研究。较串联机器人来说,因其具有精度高、承载能力强、无累积误差、动态响应优良等一系列优势,广泛应用于航空、并联机床和汽车等领域。其中少自由度并联机构凭借结构简单、便于制造和成本相对较低等优势成为目前研究的热点。故本文以4-SPS/UPU五自由度并联机构为研究对象,对其运动学、工作空间、动力学建模以及刚度进行了分析与研究。首先,简要介绍了4-SPS/UPU
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并联机构自问世以来,吸引了大量国内外学者投入研究。较串联机器人来说,因其具有精度高、承载能力强、无累积误差、动态响应优良等一系列优势,广泛应用于航空、并联机床和汽车等领域。其中少自由度并联机构凭借结构简单、便于制造和成本相对较低等优势成为目前研究的热点。故本文以4-SPS/UPU五自由度并联机构为研究对象,对其运动学、工作空间、动力学建模以及刚度进行了分析与研究。首先,简要介绍了4-SPS/UPU并联机构的结构特点,并运用螺旋理论对计算出的机构自由度进行了分析验证。采用矢量法建立了4-SPS/UPU并联机构的运动学模型,得到了位移、速度和加速度的关系表达式以及推导出速度Jacobian矩阵与加速度Hessian矩阵。在给定动平台运动规律下,利用ADAMS软件分别对位移、速度和加速度进行仿真分析,并与MATLAB数值计算的结果进行互相验证。在运动学位置反解分析的基础上,结合工作空间的限制条件,设计了数值搜索法对4-SPS/UPU并联机构工作空间进行搜索,并利用MATLAB软件求解得到定姿态下的工作空间。另外,以工作空间体积为评价标准,得到结构参数与其大小的关系及相应的优化参数。在对比总结各动力学建模方法后,采用Lagrange法以能量守恒角度分别对机构动平台、驱动支链和约束支链的动能和势能进行了详细的分析求解,进而推导出动力学方程的各项解析式,最终建立了整个系统的动力学方程。再借助仿真分析得到该并联机构各驱动力变化曲线。此模型的建立过程对其他类似的并联机构动力学建模有一定的参照价值。通过虚功原理在建立机构各支链末端刚度矩阵的基础上推导出4-SPS/UPU并联机构静刚度模型。借助MATLAB软件得出其工作空间内静刚度的分布规律情况,为后续实际应用提供参考。
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