基于刚柔结合的并联机构研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文基于刚柔结合的并联机构研究姓名：李琦申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：刘红军20090301沈阳理工大学硕士学位论文 摘 要 并联机构由于具有刚度高、承载能力强、结构紧凑等特点而得到越来越广泛的应用，80 年代发展起来的并联柔索机构则以它轻便灵活、工作空间大等优点受到广大学者的重视本课题从传统并联机构的性能出发，结合并联柔索机构的特点，提出了一种基于刚柔结合的并联机构的新构型，并就其构型、运动学、动力学、振动以及相关的仿真问题做了深入研究 本文首先对基于刚柔结合的并联机构进行构型设计，在此基础上，对影响机构精度的主要因素和误差问题进行分析机构运动学的研究中求取了机构位置正、逆解及速度雅克比矩阵，然后采用牛顿—欧拉法获得了机构的动力学方程 结合理论分析结果，采用 ADAMS 软件建立了改进前、后两种机构的虚拟样机模型，进行运动学和动力学的仿真分析对比改进前后两种机构的输出曲线图，证明了改进机构在动力学性能方面有很大提升 进一步将模型进行简化， 构造出振动分析所需要的虚拟模型， 并应用 ADAMS软件中的振动分析模块对改进前、后的机构进行振动特性分析，输出其频响曲线，验证加入柔索后抑制了机构的振动，提高了机构的动态特性。

通过以上的研究，证明了此种基于刚柔结合的并联机构在保持机构原有特点的基础上，提高了机构的精度和动力学性能，并有效的抑制了机构在运动过程中的振动问题，为机构的应用奠定了良好的基础 关键词：并联机构；刚柔结合；ADAMS；仿真；振动 沈阳理工大学硕士学位论文 Abstract Parallel mechanisms have been used more and more extensive because of the characteristic of high rigidity, strong capacity and compact structure. Parallel Wire-driven Manipulator (PWM) which developed recently from 80s， has been receiving increasing attention of members from academia, due to its portability and large workspace. From the performance of traditional parallel mechanism and make full use of the characteristics of PWM , one new type of parallel mechanism on the base of rigid-flexible combination is bring up, configuration, kinematics, dynamics, vibration and simulation problems are studied in-depth. First of all, based on the design of its combination，the research of precision、 plane’s forward kinematics、inverse kinematics and Jacques matrix of velocity are present .The dynamic equation is obtained by use the law of Newton – Euler. To combine the result of theory analysis, two virtual models are built by use of ADAMS, then the kinematics and dynamics simulation was studied. The result that performance of dynamics has been upgrade is approved by comparison of the curves. The models that vibration analysis needs are constructed out. Analysis of vibration is finished by use the ADAMS/Vibration, frequency response curves are output, and the agency's dynamic characteristics have improved by impose a soft demand. The above study proves that the parallel mechanisms based on combination of rigid-flexible improved accuracy of the agency while maintaining the original characteristics of the institution, and suppressed the vibration question effectively, settled good foundation for application of the organization. Key words: Parallel mechanism; Combination of rigid-flexible; ADAMS; Simulation; Vibration 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。

有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担 作者（签字）： 日 期 ： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 第 1 章 绪 论 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 本课题研究的目的和意义 1.1.1 并联机构的定义及产生 所谓的并联机构（Parallel Mechanism, PM）是一种以并联方式驱动的闭环机构，是随着机器人技术的发展而得到广泛研究的[1]。

机构中的动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，具有两个或两个以上自由度 并联机构的出现可以回溯至20世纪30年代， 1931年Gwinnett在其专利中提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置，随着现代科学技术的发展逐渐得以广泛应用并联机构从结构上看，是在运动平台与固定平台之间由多个支链并联而成，这几条支链都可以单独地自由伸缩，并分别用各种运动副与上下平台连接，这样上下平台就可以有若干个独立运动早在1947年V. E Gough就将这一构想付诸实施，提出了六个分支的并联机构，设计出万能轮胎试验机[2]，此后，各国学者陆续开发出了多种对应于不同应用场合的新机构其中D. Stewart为解决飞行员训练问题，于1965年所构思出一种具有三个分支的6自由度并联机构称为Stewart平台或Stewart机构 这一工作引起了人们对并联机构广泛的研究兴趣 如今在许多场合， Stewart机构甚至成为并联机构的代名词 1.1.2 并联机器人机构的优点及其应用 相对于已经用的很好、很广泛的传统串联机器人机构，并联机器人机构往往使人感到它并不适合作机器人，它没有那么大的活动空间，它的活动平台也远远不如串联机器人手部来得灵活。

但是，如果用并联机构的优点与串联机构的缺点相比的话，那么结果也同样是令人震惊的 首先，从结构上看，并联机器人机构是用几条串联支链将上下平台连接而形成的，这几条支链都可以单独地自由伸缩，其末端件上平台同时经由多根杆支撑，与串联的悬臀梁相比，刚度大了很多，且结构稳定；第二，由于刚度大，并联机构较串联机构在相同的自重或体积下有更高的承载能力；第三，串联机构末端件沈阳理工大学硕士学位论文 - 2 - 上的误差是各个关节误差的积累和放大，造成误差大而精度低，而并联机构却没有那样的积累和放大关系，因而误差小而精度高；第四，串联机构的驱动电动机及传动系统大都放在运动着的分支上，增加了系统的惯性，恶化了动力性能，而并联机构则很容易将电动机置于机座上，减小了运动负荷；第五，在位置求解上，串联机构的正解容易，但逆解十分困难，而并联机构正解困难，逆解却非常容易由于机器人的实时计算是需要计算逆解的，这就对串联机构十分不利，而并联机构却容易实现[3] 也正是因为这些优点，使得并联机器人机构在实际中有着更为广阔的应用前景，它主要应用于下列领域： （1）铣床或其它加工机床； （2）装配、包装、物料传送等工业机器人； （3）纳米技术领域中用作微加工设备、微定位设备； （4）飞机、车辆等模拟器和虚拟现实中的运动平台； （5）雷达、卫星天线等系统的定位设备； （6）移动机器人等； （7）医学中手术器械的精密定位； （8）电子工业中的高速定位设备等。

1.1.3.并联柔索机构 并联柔索机构（Parallel wire-driven manipulator,简称 PWM）指的是采用柔索来代替连杆作为驱动元件的并联结构机器人，它是并联机器人研究的一个分支，是柔索驱动和并联机构相结合的产物[4]它结合了并联机构和柔索驱动机构的优点,既具有并联机构高刚度、高精度和高负载能力的优点,又具有柔索机构低重量的优点同时,因为没有铰链转角的限制而增加了机构的工作空间 柔索作为传动元件具有传动灵活、质量轻以及柔韧性好等特点，在生产、生活中得到广泛的应用最早在 80 年代初期应用于工业中，其后经发展，逐渐形成了一类新的机器人形式在机构中采用柔索进行驱动具有重量轻、驱动固定、惯性小、传动方式灵活的特点与串联及并联机器人机构相比具有如下特点： （1）系统负载自重比大：在不考虑分支的质量的情况下，柔索仅受拉力，其强度远高于并联机构采用的滚珠丝杠，因而机构具有很高的承载能力； 第 1 章 绪 论 - 3 - (2）响应速度快：运动部件惯性的大幅度降低，有效改善了伺服控制器的动态品质， 允许动平台获得很高的进给速度和加速度， 特别适合于高速运动场合[4]。

(3)钢丝绳具有弹性，是天然的缓冲器和柔顺容错装置，可以适当减小机构的振动幅值 (4)环境适应性强：易于可重构和模块化设计； (5)与平台间特殊的连接形式，使机构的工作空间得到扩展 虽然存在上述的一系列优点，但是柔索并联机构也存在以下不足之处: (1) 机器人只能实现如3R3T、1R2T、3T 等几种运动形式； (2)工作空间相对于串联机器人仍偏小； (3)机器人只能在柔索约束方向上承受力与力矩，给柔索机器人的应用带来很大局限 1.1.4 课题的创新和意义 并联机构经过了多年的发展和改进，已经在性能上有了很大的改进和提高虽然较传统的串联机器人机构有着刚度大、结构紧凑、精度高等诸多特点，但是在科技创新日益发展的今天，对制造装备的精度要求越来越高，尤其。