一種并聯(lián)主手的動力學建模與機構(gòu)性能分析.pdf

1、力覺主手是遙操作和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。本文結(jié)合國家863計劃項目“遙操作輔助正骨醫(yī)療機器人系統(tǒng)研究”和“遠程醫(yī)療機器人關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)研究”，建立一種6自由度縮放儀型并聯(lián)主手的運動學和動力學數(shù)學模型，分析其工作空間和靈巧度性能，并對其進行機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。
　　針對6自由度縮放儀型并聯(lián)機器人的串/并聯(lián)混合構(gòu)型的特點，在機構(gòu)分析的基礎(chǔ)上對其進行運動學建模。采用齊次坐標變換法建立位置逆解方程。采用Newton–Raphson法求解正動

2、力學中的非線性方程組。采用矢量鏈方法建立輸入速度與加速度分別和上平臺的速度與加速度之間的映射關(guān)系方程。
　　針對該主手每條支鏈包含較多桿件所導致的用傳統(tǒng)動力學方法建模計算量大的問題，在運動學模型的基礎(chǔ)上，運用Kane方程建立該主手的逆動力學數(shù)學模型。并在動力學仿真軟件Adams中建立其正動力學模型。對于主手上平臺的兩種運動實例，將由數(shù)學模型產(chǎn)生的驅(qū)動力矩變化規(guī)律輸入到Adams模型中。再將Adams模型上平臺的運動規(guī)律與最初設(shè)定的

3、運動規(guī)律對比，來驗證動力學數(shù)學模型的正確性。之后，建立只考慮上平臺質(zhì)量的簡單動力學數(shù)學模型，通過對比分析來說明動力學建模的必要性。
　　在機構(gòu)的工作空間研究中，采用能夠直觀描述物體姿態(tài)的一種新型Euler角，稱為T&T角。引入球坐標掃描搜索法來獲取完整的位置工作空間邊界，并給出相應的工作空間體積的計算方法。之后，基于以上方法分析該主手的位置工作空間和姿態(tài)工作空間。并描述一種位姿耦合的新型工作空間，滿足特定姿態(tài)能力要求的位置工作空間

4、，來表征一種比較完整的工作空間能力。
　　為更有效地分析機構(gòu)的靈巧度，針對機構(gòu)的Jacobian矩陣中的元素單位不統(tǒng)一的問題，在現(xiàn)有單位歸一化方法的基礎(chǔ)上，提出一種新的通用的歸一化方法。并且基于該方法分析主手的局部靈巧度分布。之后利用Matlab的遺傳算法工具箱，以機構(gòu)全局靈巧度為優(yōu)化目標，將主手的工作空間要求和緊湊性要求作為雙重約束條件，對主手的機構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。然后通過對比優(yōu)化前后機構(gòu)的局部靈巧度分布情況，來驗證優(yōu)化的有效性。