發(fā)布時間：2016-10-23 08:24

由于轉(zhuǎn)動運動跟轉(zhuǎn)動軸線的方向和位置都有關(guān)系,多個轉(zhuǎn)動自由度就具有多個轉(zhuǎn)動軸線,若這些轉(zhuǎn)動軸線交于一點,那么這一點就稱之為轉(zhuǎn)動中心。對于存在轉(zhuǎn)動中也的具有多個轉(zhuǎn)動自由度的并聯(lián)機構(gòu)來講,其轉(zhuǎn)動中也處有可能是一個實際的運動副與動平臺等構(gòu)件相連接,但也有可能在其轉(zhuǎn)動中也處不存在任何實際的運動副。這類沒有實際運動副存在的轉(zhuǎn)動中也可稱之為虛擬運動中也(Virtuacenterofmotion,簡稱為VCM),具有YCM特性的并聯(lián)機構(gòu),可稱之為VCM并聯(lián)機構(gòu)。雖然對于可轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu),虛擬轉(zhuǎn)動中心是普遍存在的,但其虛擬轉(zhuǎn)動中也、大都具有瞬時特性。若并聯(lián)機構(gòu)存在一個相對固定的VCM,則會帶來相當多的好處。例如,由于實際轉(zhuǎn)動中心的空缺,為安放復雜器件、系統(tǒng)、乃至患者的肢體提供了便利,這在微創(chuàng)外科手術(shù)、超聲波檢測成像、力反饋裝置、自動化裝配作業(yè)、康復訓練及機器人越障等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。而設(shè)計這類VCM并聯(lián)機構(gòu)也是當前機構(gòu)學領(lǐng)域的熱點之一。因此,接下來,將針對以上兩個方面對具有多個轉(zhuǎn)動自由度的并聯(lián)機構(gòu)進行深入探討。

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2含接動平臺的并聯(lián)機構(gòu)的構(gòu)型綜合方法

2.1相關(guān)理論基礎(chǔ)

接動平臺是該類型并聯(lián)機構(gòu)的關(guān)鍵部分,由于具體的應(yīng)用要求不一樣,其結(jié)構(gòu)設(shè)計就會有很大的差別。因此,較接動平臺的設(shè)計具有相當?shù)膫�性化,沒有一個統(tǒng)一的模式。值得說明的是,不同的較接動平就代表不同的拓撲構(gòu)型,設(shè)計較接動平臺在某種程度上也可以說是設(shè)計動平臺的拓撲構(gòu)型。對于如圖2-2所示的拓撲構(gòu)型,該步驟需要確定的是構(gòu)件TMP、5和C之間的連接方式。當接動平臺的結(jié)構(gòu)確定后,需要確定接動平臺的哪些部分是需要連接支鏈的,然后再確定這些部分可能的位移子群/子流形。確定的原則是,各部分的位移子群/子流形通過相關(guān)運算的結(jié)果要保證構(gòu)件TMP具有給定的運動輸出。對于如圖2-2所示的拓撲構(gòu)型,該步驟需要確定的所表示的位移子群/子流形。

2.2—種并聯(lián)機構(gòu)的構(gòu)型綜合方法

基于旋轉(zhuǎn)呈理論或者位移李群理論的構(gòu)型綜合方法,己經(jīng)在綜合具有類似于并聯(lián)機構(gòu)上馭得了很多成果。然而,并聯(lián)機構(gòu)還存在有其它的拓撲構(gòu)型,如H4機構(gòu),其支鏈與真正的動平臺(或末端執(zhí)行器)并沒直接相連,兩者之間還存在著其它的運動副。H4的動平臺也稱為較接動平臺,或稱為具有可變結(jié)構(gòu)的動平臺。引言中提到過,H4機構(gòu)正是利用接動平臺獲得了大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動能為,這吸引了許多學者的關(guān)注,如郭盛等利用旋量理論綜合了具有與H4類似的較接動平臺的1R3T并聯(lián)機構(gòu)。本節(jié)將給出含有較接動平臺的并聯(lián)機構(gòu)的一般拓撲布局,并探討相應(yīng)的構(gòu)型綜合方法。在此之前,為例,先比較旋量理論和位樓李群理論兩種方法的差異。

3具有大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動能力的2R2T與2R3T并聯(lián)機構(gòu)......43

3.1—種新型較接動平臺的設(shè)計......43
3.22R2T并聯(lián)化構(gòu)構(gòu)型設(shè)計......46
3.32R3T并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計......51
3.4運動學及相關(guān)性能分析......55
4具有大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動能力的3R2T與3R3T并聯(lián)機構(gòu)......69
4.1新型較接動平臺的設(shè)計......69
4.2含第一類動平臺的并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計......72
5并聯(lián)VCM機構(gòu)的設(shè)計與分析......109
5.1幾種并聯(lián)VCM機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計......109
5.2應(yīng)用于康復領(lǐng)域的并聯(lián)VCM機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計......113
5.3運動學及相關(guān)性能分析.........121

6并聯(lián)VCM機構(gòu)的尺度綜合

6.1多目標優(yōu)化相關(guān)問題

并聯(lián)機器人的尺度綜合是指在一定的約束條件下,確保機器人具有良好的運動學及動力學性能為目標,對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。由于并聯(lián)機器人具有較復雜的結(jié)構(gòu)和較多的幾何參數(shù),以及在結(jié)構(gòu)設(shè)計時通常涉及到多個性能指標,并且性能指標與幾何參數(shù)呈現(xiàn)出髙度的非線性關(guān)系,因此尺度綜合一直是并聯(lián)機器人設(shè)計領(lǐng)域的難點。本章將介紹如何利用基于Pareto的多目標優(yōu)化方法對某一踩關(guān)節(jié)康復并聯(lián)VCM機構(gòu)進行尺度綜合。為此,首先介紹了多目標優(yōu)化和與Pareto相關(guān)的基本概念。其后,根據(jù)己有的差分進化算法,提出了一種改進的可用于多目標優(yōu)化的差分進化算法。利用改進的優(yōu)化算法及提出的關(guān)于該并聯(lián)VCM機構(gòu)的多目標優(yōu)化模型,進行了數(shù)值實驗。利用優(yōu)化設(shè)計所得到的一組參數(shù),建造了踩關(guān)節(jié)康復機器人的樣機。

6.2差分進化算法

擁擠距離指的是某前端中的某個體與該前端中其他個體之間的距離,用來表征個體之間的擁擠程度。擁擠距離一般在目標空間進斤計算,由于存在多個目標函數(shù),需要對每一個目標進行一次擁擠距離的計算,再將這些擁擠距離相加就可得到變量個體的擁擠距離。在對某個目標進行擁擠距離計算時,對于該目標兩端(即目標函數(shù)的最大值和最小值)所對應(yīng)的個體的擁擠距離可設(shè)為最大,其余個體的擁擠距離可由其相鄰的兩個個體在該目標函數(shù)上的距離算出。因此,擁擠距離的值越大,個體間就越不擁擠。
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7結(jié)論

針對具有多個轉(zhuǎn)動自由度的并聯(lián)機構(gòu)在實際應(yīng)用中所面臨的一些問題,本文從兩個方面研究了多轉(zhuǎn)動自由度并聯(lián)機構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計、分析與應(yīng)用。一方面針對動平臺轉(zhuǎn)動時易與支鏈發(fā)生干涉,導致并聯(lián)機構(gòu)的轉(zhuǎn)動角度普遍偏小的問題,提出通過設(shè)計新型的較接動平臺的方法來提高并聯(lián)機構(gòu)的轉(zhuǎn)動能力。據(jù)此,本文分別綜合設(shè)計了一類含有螺旋副且可進行兩自由度或三自由度大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動的并聯(lián)機構(gòu)、一類可應(yīng)用于并聯(lián)機床或多軸3D打印等應(yīng)用的2R3T和2R2T并聯(lián)化構(gòu)及數(shù)個可應(yīng)用于復雜裝配或拾取等操作任務(wù)的3R3T和3R2T并聯(lián)機構(gòu)。另一方面針對在輔助超聲波成像或踩關(guān)節(jié)康復訓練等醫(yī)療領(lǐng)域,對具有多個轉(zhuǎn)動自由度的并聯(lián)機構(gòu)還存在特殊的需求,即要求具有虛擬轉(zhuǎn)動中也,設(shè)計了不同類型且可滿足相關(guān)應(yīng)用要求的三轉(zhuǎn)動自由度并聯(lián)VCM機構(gòu)。其中一個可應(yīng)用于裸關(guān)節(jié)康復訓練的并聯(lián)VCM機構(gòu)為例,探討了該類并聯(lián)VCM機構(gòu)的尺度綜合問題，，以及通過多目標優(yōu)化算法求解的具體實施步驟,并根據(jù)優(yōu)化設(shè)計獲得的設(shè)計參數(shù),建造了踩關(guān)節(jié)康復訓練樣機,進行.了初步實驗。

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參考文獻（略）

本文編號：150145