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1、 工程学院 题 目: 少自由度并联机构动力学建模 学生姓名: 学号: 专业班级: 学院名称: 指导教师： 职称： 少自由度并联机构动力学建模 摘 要：并联机构是当前机器人研究的热点问题。在机器人构型方面，并联机构的优点有精度高、承载能力强、动态性能好、动力学特性较好等，受到了越来越广泛的应用。少自由度并联机构具有结构简单、经济、控制相对容易等优点，受到越来越多学者的青睐。本文对一种常见的少自由度并联机构3-RPS并联机构进行分析，采用数值法求解工作空间，通过极限搜索的方法获得机构的工作空间边界。然后研究运动学的正解、逆解。最后运用牛顿欧拉法进行动力学建模，建立了动力学模型。关键词：少自由度并联
2、机构;运动学分析;动力学建模Dynamics Modeling of Low DOF Parallel MechanismsAbstract：Parallel mechanisms is the hot issues of current robot research.Parallel mechanism is more widely used, because it has many advantages such as big stiffness, high carrying capacity,good dynamic performance,better dynamics and so
3、on. As Low DOF parallel mechanism has a simple structure, economy, relatively easy to control, so it is favored by more and more scholars .In this paper for the analysis of a common Low DOF parallel mechanism3-RPS,study the structures work space with analytical method,use the method of the search of
4、 the limit to get the boundary of the workspace.And then establish the kinematics equations,study the kinematics of the positive solution,inverse kinematics.Finally,use the method of Newton Euler for dynamics modeling,establish the dynamic mathematical model of this three-DOF parallel mechanism.Key
5、words： Low DOF parallel mechanisms, kinematic analysis,dynamic modeling 1目录1 绪论11.1 前言11.2 并联机构简介11.3 并联机构国内外研究现状11.4 本文主要研究内容32 3-RPS并联机构工作空间分析42.1 引言42.2 3-RPS并联机构的工作空间42.2.1 机构的运动学约束42.2.2 3-RPS并联机构工作空间边界的确定52.2.3 工作空间分析算例52.3 本章小结63 3-RPS并联机构的位置分析73.1 引言73.2 空间3-RPS并联机构73.2.1 机构组成73.2.2 3-RPS并联平
6、台机构的位姿描述73.3 3-RPS并联平台机构的位姿反解103.4 3-RPS并联平台机构的位姿正解114 3RPS并联机构动力学分析144.1 引言144.2 欧拉方程简介144.3 3-RPS并联机构机构的动力学建模144.3.1 速度分析154.3.2 加速度分析154.3.3 并联机构动力学方程165 3-RPS并联机构的仿真185.1 引言185.1.1 仿真技术简介185.1.2 并联机构计算机仿真的意义185.2 基于Mathematica 软件的仿真185.2.1 Mathematica 软件介绍185.2.2 建立所有构体的模型195.2.3 构体模型的装配215.2.4
7、动力学仿真226 总结与展望256.1 论文工作总结256.2 研究展望25参考文献26致谢271 绪论 1.1 前言并联机构1是一种新型机构，具有传统串联机构无法比拟的优点，是串联机构的补充和扩展，直接推动机床技术的发展和机器人研究的深入。并联机构的出现，使得机器人的研究，机床的研究出现了新的热点，弥补了串联机构的不足。由于并联机构结构刚度大，承载能力强，位置精度高等优点，吸引了国内外工程界与学术界的广泛关注，几十年来，随着学者们对并联机构研究的加深，不断有新的并联机构被提出。本文主要研究分析3-RPS并联机构，通过对其运动特点分析，位姿的正反解推导，及三维模型的建模与仿真，为以后的并联机构
8、设计与应用打下基础。 1.2 并联机构简介通常所说的并联机构是由上平台和下平台组成，两个平台通过两个或者两个以上的分支运动链相连接，机构具有两个或两个以上的自由度，并且以并联的方式进行驱动。由于并联机构存在很多优点，为制造业的发展提供了大量的机会，在社会上引起了广泛关注。相对于串联机器人，并联机器人有以下显著的优点： （1）刚度质量比大，结构分布均匀，动态性能好； （2）由于各个分支相对独立，误差不会造成积累，所以精确度比较高； （3）由于机构各个部位受力分布均匀合理，所以使用寿命比较长； （4）在分析机构运动学时候，串联机构正解容易，反解困难，而并联机器人正解困难，反解容易； （5）运动链较
9、短，驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，惯性小； （6） 空间结构对称的并联机构有很好的均质性。 1.3 并联机构国内外研究现状并联机构2的研究最早可以追溯到20世纪30年代。1931年，世界上第一台并联机构样机源于Gwinnett，后来应用于娱乐装置中；1940年，Pollard提出了一种空间工业并联机构，并申请了专利，后来广泛应用于汽车领域；1962年，Gough研制出一种六自由度并联机床，广泛应用于检测行业；到了1965年，德国学者Stewart首次对Gough发明的这种机构进行了结构剖析，并将其应用于航空航天领域，帮助培养了大批飞行员，因此人们为了纪念
10、他的贡献，将此装置命名为Stewart机构；1978年，澳大利亚学者hunt首次提出把Stewart机构应用于工业机器人领域，为了克服串联机器人承载能力差、运动惯性小等诸多缺点，研制出一种新型并联机器人，包含六个自由度。随后Maccallion和Pham.D.J首次在车间制造出这种机构的实体，并实现批量生产，预示着并联机器人的正式登上历史的舞台，从此并联机器人发展进入一个崭新的时期。Stewart机构是最典型的并联机器人；1983年，Hunt首次3-RPS并联机构，该空间并联机构包含3个自由度，它能实现两个自由度的转动和一个自由度的移动，因而受到广泛的关注。近些年来，随着科学技术的不断提高，并
11、联机构受到越来越多学者的青睐。世界各个国家的学者不断采用各种新理论的新方法应用于并联机构研究中，随着研究的不断深入，理论越来越成熟，不断有新型机构被提出。现有机器人绝大多数是六自由度的机构，然而三，四，五自由度的机器人也特别需要，因为在很多实际工作中，并不需要自由度太多的并联机构就可以完成任务，这时候少自由度并联机构的价值就体现出来了，应用他们不但可以节约成本，而且还很方便，因此少自由度并联机构有着广泛的应用前景。 (a) ABB公司SCARA-Tu并联机器人 (b) FANUC公司M-liA并联机器人 (C) 金属加工并联机床 (d) Urane SX 型卧式加工机床 图1.1 并联机构应用
12、实例除了用于加工机床、机器人以外，并联机构还广泛地应用于飞行模拟器，汽车运行模拟器，娱乐模拟器、潜艇救援对接器、等等。并联机构的应用实例如图1.1所示。近年来学者们还研究了将并联机构应用于温度感应器、绳驱动机器人以及微型机器人等。我国的并联机床3研究起步较晚，但发展还是挺迅速的，成果比较显著。在我国谈起并联机构，不能不说起黄真，他可谓是我国在这方面的奠基人。1991年，我国第一台并联机器人样机就是有黄真教授的团队研制出来的。1997年，黄真教授用螺旋理论综合出3-RRRH并联机构。2000年，黄真、赵铁石两位教授首次提出约束螺旋综合理论，并应用于研究并联机构的理论分析中。杨廷力教授、高峰教授也
13、提出了综合并联机构的运动综合法，并综合出了多种新构型。此外，国内很多高校、研究机构不仅在并联机构4理论方面取得了极大的进展，还开发出各种并联机构的样机，如中科院沈阳自动化所的新型五自由度并联机床、燕山大学的并联操作机、清华大学和天津大学合作的并联机床VAMTIY 、北京航空航天大学的并联刀具刃磨机床等等。1.4 本文主要研究内容 本文挑选了一种特殊的少自由度并联机构3-RPS并联机构，对其进行了工作空间分析、位姿的正解和逆解以及三维运动仿真，为了详细了解该机构的原理，全文内容编排如下：第1章 描述了并联机构的含义及特点，然后介绍了国内外研究现状。第2章 首先分析了并联机构工作空间，然后通过极限
14、搜索的方法获得机构的极限位置，研究了3-RPS并联机构的可达工作空间。第三章主要剖析了3-PRS并联机构运动学，根据其结构特点，对机构运动的反解与正解进行了分析。第四章对机构的动力学进行分析，运用牛顿欧拉法建立机构的动力学方程。第五章对机构进行仿真分析。第六章对3RPS并联机构研究的总结和展望。 2 3RPS并联机构工作空间分析2.1 引言 机器人的工作空间5就是机器人操作器的工作时候能覆盖的区域，是衡量机器人性能的重要指标。由于并联机构的构型是空间立体机构，它的运动空间必然在三维空间内，因此仅在二维平面内很难精确的分析其结构，而且由于其结构的复杂性，很难精确加工和控制，在这种情况下，借助于对其的三维建模和仿真分析，能帮助我们很好的了解它们。随着科学技术的快速发展，越来越多的运动仿真软件被研发出来，它们的出现可谓具有跨时代的意义，对于机构学者们来说，可以大胆的提出各种构型，然后借助软件对其进行仿真分析，对于新构型的
