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含有柔顺关节的并联机器人是综合柔顺机构和并联机器人发展而形成的一个新研究方向,引起国内外许多学者的重视。目前,绝大多数研究是围绕并联微操作机构的运动学分析和优化设计开展的,涉及到动力学的研究还很少。随着含有柔顺关节的并联机器人应用范围的不断扩大和工作要求的不断提高,如何分析并改善其动力学特性,提高设计水平,成为含有柔顺关节的并联机器人领域的前沿课题,具有重要的理论意义和应用价值。 本文以含有柔顺关节的并联机器人为研究对象,以动力学为核心内容进行系统研究,主要包括动力学建模、数值仿真、特性分析、优化设计以及实验研究等方面的内容。 首先,建立了含有柔顺关节并联机器人的动力学模型。采用初始弯曲梁的伪刚体模型建立了柔顺关节的双1R伪刚体模型,应用拉格朗日方程和虚拟切割法推导了含有柔顺关节并联机器人系统的动力学方程。应用Newmark法对方程进行了数值求解,并与含有柔顺关节的并联机器人现存主要模型即简化模型的计算结果进行对比,说明该动力学模型能够更好地反映含有柔顺关节并联机器人的真实运动;通过与Solidworks、ANSYS和ADAMS联合建立的刚柔耦合模型软件仿真结果进行对比,验证了动力学模型的正确性;通过与刚性并联机器人动力学响应进行对比,从理论上说明了在并联机器人中柔顺关节代替传统关节可行有效。 其次,分析了含有柔顺关节并联机器人的动力学特性。通过频率方程分析了机器人在运动过程及工作空间中的固有频率变化情况,又从幅频特性的角度分析了系统的固有频率,并相互验证正确性,深入研究了柔顺关节结构参数对固有频率的影响及规律;分析了机器人总变形能与结构参数的关系;给出了每个支链柔顺关节的应力变化情况,研究了柔顺关节结构参数对最大应力的影响及规律;研究了驱动力矩与刚度、柔顺关节结构参数的变化关系曲线,为优化设计提供了理论依据。 再次,对并联机器人中的柔顺关节进行优化设计。在刚性并联机器人基础上,以固有频率、应力等为约束条件,以柔顺关节的结构参数为设计变量,以总变形能、驱动力矩及其组合为目标函数对并联机器人中柔顺关节进行了优化设计。 最后,进行了含有柔顺关节并联机器人的实验研究。基于3-RRR平面刚性并联机器人机构,加工、制作了柔顺关节来代替驱动杆和连杆之间的传统转动副,形成柔顺关节并联机器人机构,与控制系统和测量系统一起构成了含有柔顺关节的并联机器人实验平台。实现了含有柔顺关节并联机器人在低速和高速情况下的轨迹跟踪实验,通过实验结果和理论计算及仿真分析的对比,验证了理论模型的正确性,并与刚性并联机器人实验结果对比分析,从实验角度说明了在并联机器人中柔顺关节替代传统关节基本可行有效。