基于约束特性的两转一移并联机构型综合研究

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少自由度并联机构具有结构简单、刚性好、速度快、精度高、承载能力大、加工制造成本低等优点,近年来一直是国内外学者研究的热点。两转动一移动并联机构是少自由度并联机构中极为重要的一类,目前以两转一移并联机构为主机构开发的并/混联机器人装备已经在混联加工中心、运动模拟器、微创手术等领域取得巨大成功。然而,目前针对两转一移并联机构约束特性的研究并不完善,具有应用价值的构型依然较为缺乏。因此,本文基于螺旋理论与虚拟链法分析了6类不同类型的两转一移并联机构的约束特性,建立了简单有效、系统、全面的两转一移并联机构型综合方法。论文的主要研究内容有以下五个方面:(1)首先,介绍应用于机构学分析的螺旋理论基础,总结约束螺旋综合法的具体步骤;其次,基于虚拟链,以一类平面二自由度移动并联机构与一类空间转动-移动-移动的新型RPP型一转两移并联机构的型综合为例,具体阐述虚拟链法综合的详细步骤及其相较于约束螺旋综合法的优点,同时指出虚拟链法综合机构存在的不足之处;最后,基于虚拟链和两条转轴之间的关系,对两转一移并联机构进行了分类,初步分析其特点,确定本文主要研究的PU、P*U*、UP、*U*P、PRR与RRP型并联机构的型综合流程。(2)为建立转轴靠近动平台的PU与P*U*型并联机构的型综合方法,首先基于PU虚拟链的约束分析得出无伴随运动的PU型并联机构的约束特性,进一步地,分析了伴随运动产生的原因,推导并证明含一个伴随运动的P*U*型并联机构的约束螺旋系。其次,基于3-PRS并联机构的约束分析,得到含三个伴随运动的P*U*型并联机构的约束特性。然后,根据PU与P*U*型并联机构中所包含的约束的性质,确定支链的自由度形式与支链产生期望约束的具体条件,得到所有适用支链的运动副组成与布置。最后,根据机构的约束特性及支链产生的约束性质,得到所有的约束分布情况、支链组成及对应的支链装配条件,完成PU与P*U*型并联机构型综合。(3)为建立转轴靠近定平台的UP与*U*P型并联机构的型综合方法,首先基于UP虚拟链的约束分析得出包含UP恰约束支链的UP型并联机构的约束特性,进一步地,讨论当相交的约束力线矢性质发生变化时对机构的运动性质产生的影响,得到一般情况下UP型并联机构的约束特性。其次,根据约束力线矢无公共交点的不同情况,讨论*U*P型并联机构无固定转动中心的条件,得到*U*P型并联机构的约束特性。然后,根据影响机构转动中心的约束力线矢的性质,将UP与*U*P型并联机构的支链分别进行分类,确定支链综合准则。最后,以此列出所有可行约束分布情况,选择适用支链,按照装配条件装配各支链,完成UP与*U*P型并联机构型综合。(4)为建立转轴始终异面的PRR与RRP型并联机构的型综合方法,首先基于PRR虚拟链的分析,结合PRR型并联机构的结构特性,得到PRR型并联机构的约束特性,同时总结了转轴连续且确定的条件。其次,基于RRP虚拟链的约束分析,考虑机构的移动对异面转轴的影响,得到RRP型并联机构的约束特性。然后,根据不同的异面约束力线矢/力螺旋的性质,对PRR型与RRP型并联机构的支链进行分类,完成支链综合。最后,确定不同冗余约束情况下的约束分布,及其对应的支链组合与布置条件,完成转轴始终异面的PRR与RRP型并联机构型综合。(5)根据螺旋理论,以综合得到的六类并联机构的典型构型为研究对象,分析了其自由度性质及不同位形下的转轴分布,验证了型综合方法的正确性。研究了两种属于不同约束螺旋系的P*U*型并联机构的伴随运动,同时基于转轴的性质给出了PRR型并联机构逆运动学的简便求解方法。最后,分析了坐姿状态下人体下肢的运动模式,设计了一种新型足底平台式下肢康复机构。
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