基于离散时间传递矩阵法的3-PRR平面并联机器人动态特性分析及参数优化

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随着并联机器人在工业中的广泛应用,其动态性能成为机器人领域的研究热点。平面并联机器人的性能在很大程度上取决于其几何形状及性能度量的相互依赖性,因此,其动力学建模及分析变得非常复杂。本文采用离散时间传递矩阵法对3-PRR并联机器人进行动力学建模,无需对整个系统进行动力学方程求解,从而提高了计算效率。本文从刚性、柔性并联机器人的动力学建模、数值仿真分析及结构参数、移动轨迹优化进行了研究,主要内容如下。首先,建立了3-PRR平面并联机器人的结构模型。通过分解模型,确定基本构件、不同类型联结的传递矩阵库。采用离散时间传递矩阵法,结合线性Newmark-β积分法,建立滑块、连杆、移动平台整体的运动学与动力学模型。提取3-PRR平面并联机器人基本参数,根据给出的运动轨迹,确定边界条件,并使用MATLAB软件对其进行数值仿真,得到运动过程中各关节的位移、旋转角度、力和力矩的变化规律。通过与逆运动学、ADAMS仿真分析的对比,结果表明,DT-TMM用于含刚性梁的3-PRR平面并联机器人动态特性分析是可行的。其次,结合集中参数法和离散时间传递矩阵法建立了具有三个柔性连杆的3-PRR平面并联机器人的模型。通过扭簧、弹簧与刚性体之间连接实现梁的柔性化建模,并在考虑梁的弹性运动以及柔性梁耦合作用的基础上进行动力学仿真。仿真结果表明,采用DT-TMM对具有柔性梁的平面并联机器人进行建模及动态分析是有效性。最后,利用全局工作空间条件指数(GWCI)、全局条件指数(GCI)、全局梯度指数(GGI)等多运动学性能指标对3-PRR平面并联机器人的结构参数进行优化,并提出了驱动力动态性能指标(DFI)。在有效工作工作空间中,通过考虑3-PRR平面并联机器人的运动学和动力学性能指标,优化并联机器人的末端运动轨迹,确定其初始位置。本文的创新之处在于利用DT-TMM对具有刚性梁和柔性梁的平面并联机器人进行建模和动态特性分析,提高了计算效率。同时,提出了一种新的动态性能指标,即驱动力指标(DFI)。通过分析,该方法对平面并联机器人的动态建模具有重要的指导意义,并且可扩展到其他构型的并联机器人运动学和动力学分析。
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