冗余驱动并联机构运动学分析与驱动优化研究

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由于冗余驱动可以改善并联机构的性能,近几年来得到了国内外很多研究者的关注,但是因为并联机构的结构和驱动方式的复杂性,给机构的分析和设计带来了较大难度,国内外在此领域取得的研究成果相对较少,而对冗余驱动并联机构进行更加深入细致的研究,对改善并联机构的运动学性能和优化并联机构的驱动力(或力矩)具有重要的意义。 本文在现有研究的基础上,选择应用比较广泛的平面3自由度并联机构和空间3自由度Tricept并联机构为研究对象,对并联机构设计不同的冗余驱动方式,并进行逆运动学、逆动力学分析以及驱动优化研究,为并联机构选择冗余驱动方式和驱动优化方法提供参考依据。 首先对平面3自由度并联机构构造关节冗余(2-RRR-1-RRR)、支链冗余(4-RRR)和混合冗余(3-RRR-1-RRR)三种不同的冗余驱动方式,对Tricept并联机构构造关节冗余驱动方式(3-UPS-1-UP),详细推导各机构不同驱动方式的逆运动学方程,在并联机构一定的工作空间内分析各机构的灵活度、承载能力和刚度运动学性能。 结合牛顿-欧拉法对两个并联机构分别在不同驱动方式下进行动力学分析,建立不同驱动方式条件下的逆动力学模型。针对冗余驱动并联机构逆动力学模型的特点,提出一种最大值最小化的优化方法,用以优化多个一次函数在取绝对值后的最大函数值。在并联机构特定的运动规律条件下,以该方法来优化关节冗余和支链冗余驱动并联机构的瞬时最大驱动力和功率,以Matlba优化工具箱的优化模块来优化混合冗余并联机构的最大驱动力和功率,并与力2范数优化方法进行比较,为并联机构冗余驱动方式的选择以及驱动力和驱动功率的控制提供了参考依据。
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