一種并聯(lián)主手的動(dòng)力學(xué)建模與機(jī)構(gòu)性能分析.pdf

1、力覺主手是遙操作和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。本文結(jié)合國家863計(jì)劃項(xiàng)目“遙操作輔助正骨醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)研究”和“遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)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(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，分析其工作空間和靈巧度性能，并對(duì)其進(jìn)行機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。
　　針對(duì)6自由度縮放儀型并聯(lián)機(jī)器人的串/并聯(lián)混合構(gòu)型的特點(diǎn)，在機(jī)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模。采用齊次坐標(biāo)變換法建立位置逆解方程。采用Newton–Raphson法求解正動(dòng)

2、力學(xué)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(tái)的速度與加速度之間的映射關(guān)系方程。
　　針對(duì)該主手每條支鏈包含較多桿件所導(dǎo)致的用傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建模計(jì)算量大的問題，在運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Kane方程建立該主手的逆動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型。并在動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams中建立其正動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)于主手上平臺(tái)的兩種運(yùn)動(dòng)實(shí)例，將由數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩變化規(guī)律輸入到Adams模型中。再將Adams模型上平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與最初設(shè)定的

3、運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)比，來驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的正確性。之后，建立只考慮上平臺(tái)質(zhì)量的簡單動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)比分析來說明動(dòng)力學(xué)建模的必要性。
　　在機(jī)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(biāo)掃描搜索法來獲取完整的位置工作空間邊界，并給出相應(yīng)的工作空間體積的計(jì)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(jī)構(gòu)的靈巧度，針對(duì)機(jī)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(jī)構(gòu)全局靈巧度為優(yōu)化目標(biāo)，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(duì)主手的機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。然后通過對(duì)比優(yōu)化前后機(jī)構(gòu)的局部靈巧度分布情況，來驗(yàn)證優(yōu)化的有效性。