三自由度冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、海洋條件下艦船運(yùn)動(dòng)的模擬技術(shù)是伴隨著仿真、航海和艦船技術(shù)的發(fā)展同步發(fā)展起來(lái)的,它不但可以模擬艦船的各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)姿態(tài),還可以研究海浪、海流等因素對(duì)艦船在海上運(yùn)動(dòng)特性的影響,具有明顯的可控性、無(wú)破壞性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性等優(yōu)點(diǎn),這種模擬技術(shù)已經(jīng)得到了世界各國(guó)的廣泛研究。
　　 石油是當(dāng)今世界上最重要的能源,其中船舶是海洋石油的主要運(yùn)載工具。由于石油不同于固體的特殊性,在運(yùn)輸過(guò)程中,石油的晃動(dòng)會(huì)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。為了測(cè)試在各種海

2、況條件下運(yùn)輸石油可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況,本文提出運(yùn)用一種結(jié)構(gòu)為4-S(P)S/S的三自由度冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模擬船舶在海上的搖擺運(yùn)動(dòng),對(duì)其主要的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)詳細(xì)研究。主要研究?jī)?nèi)容概括如下:
　　 根據(jù)4-S(P)S/S冗余驅(qū)動(dòng)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立合適的靜態(tài)參考坐標(biāo)系、動(dòng)坐標(biāo)系和支鏈坐標(biāo)系,運(yùn)用螺旋理論推導(dǎo)出該并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的真實(shí)自由運(yùn)動(dòng)特性;運(yùn)用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換法,建立該機(jī)構(gòu)的位置逆解模型,推導(dǎo)出其位置逆解的解析解;運(yùn)用桿

3、長(zhǎng)約束方程和Sylvester結(jié)式消元法,首次推導(dǎo)出該機(jī)構(gòu)位置正解的全部解析解,實(shí)例分析結(jié)果驗(yàn)證了該位置正解求解算法的正確性。
　　 推導(dǎo)出4-S(P)S/S三自由度冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的雅可比矩陣,運(yùn)用Gosselin奇異性分析法對(duì)4-S(P)S/S三自由度冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的奇異性進(jìn)行分析,分析結(jié)果表明該并聯(lián)機(jī)構(gòu)在其預(yù)設(shè)工作空間內(nèi)不存在奇異位型;研究了影響4-S(P)S/S三自由度冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間的主要因素,并對(duì)其運(yùn)動(dòng)副的

4、轉(zhuǎn)角限制和各支鏈間的尺寸干涉限制進(jìn)行了解析化分析;基于位置正解的解析解模型,設(shè)計(jì)了4-S(P)S/S三自由度冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)工作空間的求解算法,避免了數(shù)值方法及幾何方法的復(fù)雜性和不確定性,實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)工作空間的直觀性表達(dá)。
　　 運(yùn)用牛頓一歐拉法研究了4-S(P)S/S三自由度冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)各主動(dòng)支鏈和動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型,推導(dǎo)出各主動(dòng)支鏈驅(qū)動(dòng)力的顯示方程;分別運(yùn)用驅(qū)動(dòng)力的2范數(shù)優(yōu)化、各驅(qū)動(dòng)器最大瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)力的最小優(yōu)化、驅(qū)動(dòng)力總

5、變化率的最小優(yōu)化、驅(qū)動(dòng)器總驅(qū)動(dòng)功率的最小優(yōu)化和各驅(qū)動(dòng)器最大瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)功率的最小優(yōu)化的方法對(duì)-S(P)S/S三自由度冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了優(yōu)化研究;通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn),驅(qū)動(dòng)力的2范數(shù)優(yōu)化和驅(qū)動(dòng)力總變化率的最小優(yōu)化效果優(yōu)于其他三種優(yōu)化方法。
　　 基于逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)雅可比矩陣和正向運(yùn)動(dòng)學(xué)雅可比矩陣,運(yùn)用拉格朗日乘子法,研究了4-S(P)S/S三自由度冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的速度、靈巧度、剛度和承載能力的全域性能指標(biāo);運(yùn)用求導(dǎo)法推導(dǎo)出4-S

6、(P)S/S三自由度冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的二階影響系數(shù)矩陣,在此基礎(chǔ)上研究了4-S(P)S/S三自由度冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的加速度全域性能指標(biāo);在預(yù)設(shè)工作空間內(nèi)繪制出相應(yīng)的全域性能指標(biāo)圖譜,分析了各類性能指標(biāo)隨機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)變化的分布規(guī)律,獲得了在各類全域性能指標(biāo)下的4-S(P)S/S三自由度冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的最優(yōu)尺寸區(qū)間。
　　 為4-S(P)S/S三自由度冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了閥控液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),從理論上推導(dǎo)出非對(duì)稱閥控制非對(duì)稱液壓