毕业设计（论文）-空间3-RPS并联机构的运动分析与仿真.doc

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1、毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题题 目：目： 空间 3-RPS 并联机构的运动分析与仿真 题目类型：题目类型： 论文型 学学 院：院： 机电工程学院 专专 业：业： 机械工程及自动化 年年 级：级： 级 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 日日 期：期： 2010-6-11 第 II 页 摘要 3-PRS 并联机构是空间三自由度机构，该机构具有支链数目少、结构对称、驱 动器易于布置、承载能力大、易于实现动平台大姿态角运动等特点，目前已在工程 中得到成功应用。本文基于空间机构学理论，对 3-RPS 并联机构进行了相关的运动 学分析。在对机构结构分析的基础上，对机构的输

2、出位姿参数进行了解耦分析，得 到了机构输出参数间的解耦关系式；用解析法推导了机构的位置反解方程；用数值 法实现了机构的位置正解；依据驱动副行程、铰链转角、连杆尺寸干涉等限制因素 确立约束条件，利用极限边界搜索算法搜索了 3-PRS 并联机构的工作空间，分析了 该机构工作空间的特点，并进行了工作空间体积计算。最后基于 ADAMS 软件平台， 建立了 3-RPS 并联机构的三维实体简化模型，对 3-RPS 并联机构的运动进行了仿真。 本文的研究为 3-RPS 并联机构的结构设计与应用提供了参考。 关键词： 3-PRS 并联机构；位置正解；位置反解；工作空间；运动仿真 第 III 页 ABSTRAC

3、T 3-PRS parallel mechanism is a three degrees of freedom of space agencies, the agency has a small number of branched-chain, structural symmetry, the drive is easy layout, carrying capacity, easy to implement a large moving platform attitude angle motion and other characteristics, has been successfu

4、lly applied in engineering . Based on the theory of space agencies, on the 3-RPS parallel mechanism was related to kinematics analysis. In the analysis of the structure, based on the position and orientation of the body of the output parameters of the decoupling analysis, the decoupling of the outpu

5、t parameters of the relationship; analytic method derived by inverse position equations institutions; achieved by numerical methods body forward position; based driver Vice trip, hinge angle, rod size interference and other constraints set constraints, using the limit boundary search algorithm for s

6、earching for the 3-PRS parallel mechanism of the working space, analysis of the sector space characteristics, and a working space of volume. Finally, based on ADAMS software platform, the establishment of the 3-RPS parallel mechanism of three-dimensional solid simplified model of 3-RPS parallel mech

7、anism of the movement is simulated. This study for the 3-RPS parallel mechanism structure provides a reference design and application. Key word: 3-PRS parallel mechanism; forward position; inverse position; workspace ; motion simulation. 第 IV 页 目 录 摘要II ABSTRACTABSTRACTIII 前 言VI 第 1 章 绪论1 1.1 课题研究的意

8、义1 1.2 并联机构简介3 1.3 并联机构的国内外发展现状3 1.4 少自由度机构介绍7 1.4.1少自由度的研究意义7 1.4.2少自由度并联机构的研究现状8 1.5 本文主要研究内容9 第 2 章 并联机构的组成原理及运动学分析.10 2.1 引言10 2.2 并联机构自由度分析10 2.3 并联机构的组成原理11 2.4 并联机构的研究内容12 2.4.1运动学分析13 2.4.2工作空间分析13 2.5 本章小结14 第 3 章 3-PRS 并联机构位置分析15 第 V 页 3.1 引言15 3.2 空间 3-RPS 并联机构15 3.2.1机构组成15 3.2.23-RPS 并联

9、平台机构的位姿描述 16 3.2.33-RPS 并联平台机构位姿解耦 21 3.3 3-RPS 并联平台机构的位姿反解 22 3.4 3-RPS 并联平台机构的位置正解 25 3.5 本章小结：27 第 4 章 3-RPS 并联机构的工作空间分析.28 4.1 引言28 4.2 3-RPS 并联平台机构的工作空间分析 28 4.2.1机构的运动学约束28 4.2.23-RPS 并联机构工作空间边界的确定 30 4.2.3工作空间分析算例31 4.2.4工作空间体积的计算方法32 4.3 本章小结33 第 5 章 3-RPS 并联机构的仿真与应用34 5.1 3-RPS 并联机构的的三维建模34

10、 5.1.1ADAMS 软件介绍34 5.1.23-RPS 并联机构的建模34 5.2 3-RPS 并联机构的运动仿真36 5.3 3-RPS 并联机构的应用37 5.4 本章小结40 第 VI 页 总结与体会41 谢 辞42 参考文献43 第 VII 页 前 言 机构的发明与发展同人类的生产 、生活息息相关 ，它促进着生产力的发展 、 生产工具的改进和人类生活水平的不断提高。从三国时期诸葛亮的“木牛流马” 到捷 克作家查培克笔下强壮的“ R o - b o t ” ，无不体现着人类对新技术、新机构的幻想 与渴望 。 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

11、了串联机构的不足。 由于并联机构结构刚度好 、承载能力大、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 ，人们对并联机构的研究 如 火如荼 ，不断致力于新型并联机构的研发 。 本文主要研究 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，为以后的并联机构设计与应用打下基础。 第 1 页 第 1 章绪论 随着科学技术的迅速发展，机械制造业正经历着前所未有的变化：生产自动化 与高精度、高质量；经营策略从大规模生产到敏捷制造；竞争范围从国内市场扩展 到全球市场。无论是对制造模式的宏观研究，还是具体到工艺技术的微观研究，都 在不断的推陈

12、出新。而空间并联机构在工业中的应用正是在这一时刻营运而生，她 以所具有的刚度大、承载能力强、精度高、自重负荷小、动力性能好等一些列优点， 与目前广泛应用的串联式机构在应用上构成互补关系。并联机构的出现，不仅引起 了世界各国的广泛关注，而且被誉为“机床结构的重大革命”，值得制造业给予高度 的重视。 1.1 课题研究的意义 近年来，并联机构在机器人领域的广泛应用，以及在其他方面如雷达等领域的 应用使得并联机构日益被人们所认知。如并联驱动机器人要比传统的串联机器人 具有较高的刚度和精度，较高的承载与强度之比，而且驱动方便因此，各种形式 的并联机构在机器人中得到了应用现有对并联机构的研究大多数仍然集中

13、在 6 自 由度 Gough（stewart）机构上不同的作者提出并分析了各种各样的 6 自由度并联 机构但是，许多工程的应用并不要求运动平台一定要有 6 个完整的自由度减少 机构的自由度数将会降低机构的总体费用在许多文献中都论述了 3 自由度并联机 构工作空间是机器人操作器的工作区域，它是衡量机器人性能的重要指标，但是 对 3 自由度 RPS 型并联机构的工作空间的分析并不多究其原因，RPS 型并联机构 只有 3 个独立的自由度，即如果要求得工作空间必须求出三个移动自由度的坐 标这就要求通过解以一个移动和两个转动的坐标作为独立变量的方程来求解计算 三个移动的变量而这三个变量的方程是高度非线性

14、的，势必会给方程的求解带来 很大的困难（般情况下是求数值解，解析解的工作量复杂较大） ，而且求出的三个 移动变量的解也会不精确本文对 3 自由度并联机构的分析，使得求解工作空间的 问题变得相对简单而且可靠，便于应用。 第 2 页 在并联机床的研究上，并联机构是并联机床的理论和结构基础。早在 18901894 年,Clerk J.Maxwell 和 A.annheim 就进行了空间机构理论的研究19; Gough 于 1948 年最先提出平台式并联机构,用于轮胎测试,并于 1962 年与 Whitehall 一起设计了由六个并行线性支链支撑两个平台的轮胎测试机;D.Stewart 于 1965

15、年在飞行模拟器上应用了 6 自由度并联机构(如图 6 所示),1966 年 D.Stewart 发表了 著名的论文A Platform with Six Degrees of Freedom,成就了其在并联机构研究行 业的一世英名,随后 6 自由度并联机构被称为 Stewart 平台(也称作 Stewart-Gough 平 台); 1978 年,Hunt 建议将 Stewart 平台用做机器人,并指出由于该机构同串连机构相比 所具有的精度高、刚度高的优势,非常值得在机器人领域展开深入研究,这可以看作并 联机构,特别是 Stewart 平台在机器人领域的研究起点。1979 年 MacCallio

16、n 设计出第 一台基于 Stewart 平台的机械手臂21,将其应用在自动化装配上,从此以后 Stewart 平 台也称作并联机器人。20 世纪 80 年代,人们对并联机构的应用研究主要放在各种并 联机械手、机器人上,这期间出现了 DELTA 和 HEXA 并联机构,两者在 90 年代中后 期都已经成功地进行了商品化,瑞士 DEMAURREX 的 DELTA 机器人(如图 所示) 到 2001 年底时已经在世界各地卖出了 500 台套。 图 1-1 瑞士并联机器人 图 1-2 并联机床示意图 第 3 页 1.2 并联机构简介 并联机构是一种新型的机构，具有传统串联机构无法比拟的优点，是串联机构

17、 的补充和发张，对于机床技术和机器人技术的发展具有重要作用。机构的发明与发 展同人类的生产、生活息息相关，它促进着生产力的发展、生产工具的改进和人类 生活水平的不断提高。从三国时期诸葛亮的“木牛流马”到捷克作家查培克笔下强壮 的“Robot”，无不体现着人类对新技术、新机构的幻想与渴望。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 联机构结构刚度好、承载能力大、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，人们对并联机构的研究如火如荼，不断致力于新型并联 机构的研发。 与传统的串联机构相比，并联机构具有如下优点：第一，并联机构

18、的动平台 同时由多根杆支撑，相对于串联机构的悬臂梁式，其刚度大，结构稳定，在相同 的自重或体积下有较高的承载能力；第二，串联机构末端执行器上的误差是各个 关节误差的累积和放大，而并联机构的此种累积和放大关系相对较小，故其误差 小、输出精度高；第三，串联机构的驱动电机及传动系统大都放在运动着的大小 臂上，增加了系统的惯性，影响了动力性能，而并联机构便于将电机置于基座上， 减小了运动负荷。此外，并联机构还具有运动速度高、部件简单、便于控制、通 用程度好等优点。基于上述，并联机构受到了各国工业界和学术界的广泛关注， 特别是在上世纪90年代以后得到了迅猛发展，已成为机构学的研究热点之一。 1.3 并联

19、机构的国内外发展现状 目前，国内外关于并联机构的理论研究主要集中在机构学、运动学、动力学、 控制等领域，其应用领域主要有：并联机床、飞行模拟器、空问飞行对接机构、装 配生产线、卫星天线换向装置、海军舰艇观测台、天文望远镜跟踪定位系统、动感 娱乐平台以及医疗设备等。 并联机构是空间多环结构，早在 1938 年 Pollard 就提出采用并联机构来给汽车 第 4 页 喷漆，1949 年，Gough 提出用一种关节联接的机器检测轮胎，但其实际应用一般认 为始于 20 世纪 60 年代。1965 年德国的 D.Stewart 最先提出将并联机构应用于作训 飞机驾驶员的飞行模拟器，1978 年 Hunt

20、 等人提出将并联机构用于机器手。真正将 并联机构成功应用于机床是在 1994 年,这年的美国芝加哥国际机床博览会(IMTS94) 上,美国的 GiddingsIngersoll 公司推出了第一代八面体六足虫并联机床,即 OctahedrHexapod VOH-1000(如图 8 所示)。这些并联机床的推出引起了极大的轰动, 被称作“机床行业的革命”“是 21 世纪的新一代数控加工设备”2223,但此时的 第一代并联机床还只能称作原型样机,大多数仅仅能够加工腊模等易加工材料(如 图9所示)。97年以后,世界各国都掀起了研究并联机床的热潮,并联机床的研制水 平似乎已经成为衡量一个国家机床行业水准的

21、标杆。到2001年的德国汉诺威国际 机床展(EMO2001)上,已有多个国家的30余台并联机床参展。此时并联平台机构 的 应用也已不仅仅局限于加工机(milling machines),种类还涉及到加工中心 (machining centers/robots)、定位和定向机械(devices for position and orientation),测 量机(mea-suringmachines)(如图10所示),装配机械(assemblingdevices)等等。 图 1-3 9Octahedral Hexapod 加工腊模过程 图 1-4 俄罗斯 TM-750 95 年以后,并联数控机床

22、的研究与开发一直得到国内外工程界和学术界的广泛重 第 5 页 视,1998 年由美国科学家基金会提议在意大利米兰召开了第一届国际并联运动学机器 专题研讨会,2000 年又在美国密执安召开了第二届,并于 2002 年 4 月底在德国开姆尼 斯召开第三届研讨会。目前,从事并联机床(机构)研究的机构迅速增多,仅在加拿大拉 瓦尔实验室设立的网站上登记的研究机构就有上百家(到 2002 年 6 月),日本 Cosmo Center 开展并联机床研究的大型实验室有 91 家:美国 19 家,加拿大 8 家,德国 9 家,瑞 士 5 家,意大利 7 家,法国 7 家,南韩 8 家,日本 11 家,其他国家

23、17 家。开展并联机床研 究的大公司有 18 家:其中有美国的 Hexel 公司、Ingersoll 公司,俄罗斯的 Lapik 公司, 挪威的 Multicraft 公司,日本的 Okuma 公司、Toyoda Machinetools 公司以及德国、加 拿大、意大利、西班牙、荷兰、澳大利亚、南韩等国家的一些大型机床公司。有关 并联机床研究的较大研发中心(R从事加工中心/机器人(other machining centers/robots)研究的机构有 12 家;从事机器 robots)研究的机构有 17 家,从事定位、定向并联装置(devices for position and orie

24、ntation)研究的机构有 25 家;从事测量机床(measuring maschines)研究的机构有 2 家。 国外的并联机床发展至今,已不仅仅停留在实验型样机阶段,众多公司、研究机构 已经成功地开发出了商品化的型甚至型产品,这些改进型并联机床虽然与高精度 的传统机床相比还有一定的差距,但已经基本达到一般传统机床的性能指标,初步进入 了实用化阶段。 国内早在 80 年代初燕山大学就开始对并联机构进行系统地研究。到北京第届中 国国际机床展览会(CIMT97)时,俄罗斯 Lapik 公司展出了加工、测量两用 TM-750 型 并联机床(如图 7 所示),引起了中国许多科研院所、大学以及工厂的

25、极大兴趣,使他们 看到了并联机床的应用前景,并在随后的一段时间里有力地促进了中国并联机床的研 第 6 页 究工作。从 1998 年开始,我国的各个研究单位取得了一系列标志性成果: 清华大学和天津大学合作于 1998 年研制成功我国的第一台基于 Stewart 平台机 构的大型镗铣类虚拟轴机床原型样机 VAMT1Y,并在 2001 年的中国国际机床展览会 上推出了与昆明机床股份有限公司合作开发的 XNZ63 数控镗铣类虚拟轴机床和与江 东机床有限公司合作开发的 XNZ2010 数控龙门式虚拟轴机床,2002 年的中国际机床 展览会上又展示了与大连机床集团合作研制的 DCB510 五轴联动并联机床

26、。 北京理工大学于 2000 年 6 月制成六自由度 BKX-I 型变轴数控机床样机。河北 工业大学开发了新型五自由度五轴数控并联加工中心的试验样机,并且申请了专利。 哈尔滨工业大学并在 2001 年的中国国际机床展览会上推出了与哈尔滨量具刃具厂合 作开发的 6-SPS 并联机床,在 2002 年的中国国际机床展览会上二者联合展出了 7 自 由度并联机床。 图1-5 北京理工大学的BKXI型 图1-6 哈尔滨工业大学的 并联机床加工出的 BIT 字样 BJ-1 型并联机床加工叶轮的过程 国内并联机床的各项性能指标与国外发达国家相比有一定差距,但这个差距并不 大,可以形象地说,我们正在起步,而他

27、们仅仅在小跑,在这个领域我们是完全有可能赶 上并超越他们的。 第 7 页 1.4 少自由度机构介绍 随着空问并联机构学理论、技术与应用的不断发展，对各种空间机构的性能要 求在不断地提高。其中，空间少自由度并联机构与 6 自由度并联机构相比，结构简 单、经济便宜、控制较容易，具有良好的应用前景，是当前国内外学者的研究热点 之一。一个不受任何约束的自由体在空间有 6 个自由度，即 3 个方向移动的自由度 和 3 个方向转动的自由度。如果物体受到不同程度的约束，自由度将不同程度的减 少，使自由度为 25 个，实现这种少自由度的机构称为少自由度机构，有一些特殊 性能需要研究。 人们对有 6 个自由度的

28、纯自由体机器人已有很多研究，而对于少自由度机构的 研究相对较少，因其存有的几个自由度不像原来纯自由体时对应的那几个自由度那 么自由。所以可称有 6 个自由度的纯自由体是有绝对自由度的，而受到约束后的机 构，不但被约束掉某几个自由度，剩下的不被约束的几个自由度也不那么自由了， 只有其相对的不完全的自由。 1.4.1少自由度的研究意义 少自由度并联机构最大的特点是自由度少于六，动平台受到约束。要求动平台 所受到的实际约束与期望的约束一致，并且实际约束之间存在一定的几何关系，保 障其综合作用的结果符合动平台的运动自由度。另外，绝大多数少自由度并联机机 构中存在约束，这样的约束螺旋线性相关，也必然要求

29、螺旋轴线方位间存在特殊几 何关系，如平行、垂直、共面、汇交于一点等。由于不可避免的制造误差、安装误 差、受力变形以及由环境温度引起的热变形，这些特殊的几何关系通常不能得到满 足，即约束的几何关系具有误差，且一般具有随机性，这导致了动平台所受约束不 确定性的特点。对动平台而言，约束的不确定性导致其运动自由度的改变，如非期 望的运动输出或暂时自由度减少甚至消失。对具有过约束的机构而言，这将导致难 于装配甚至不能装配，机构运动时将产生严重的附加内力，引起振动和噪音，加速 运动副磨损，导致寿命缩短。单纯的通过提高制造精度不但代价高昂，也不可能从 第 8 页 根本上消除约束不确定性的影响。因此，有些看似

30、很有应用前景的少自由度并联构 型在实际中很难保证精度和动力学性能，必须充分考虑其约束特性和过约束特征。 这也是无过约束少自由度并联机构的设计问题逐渐受到重视的原因。 1.4.2少自由度并联机构的研究现状 近几年来 ，少自由度并联机构成为新的研究热点。因为这种机器人相对六自由 度机器人具有结构简单、造价低、工作空间大等特点，在工业生产及其它 领域有着更加广阔的应用前景。例如 1 9 8 3年 H u n t提出的3自由度3一 R P S 空间并联机构；1 9 9 0 年 P i e r - r o r 等提出的D e l t a机构；1 9 9 6年T s a i 提 出的3自由度三维移动机构等

31、；它们成功地应用在加工中心机床、工业机器人等 相关设备上。 相对于 6 自由度并联机构来说，少自由度并联机器人机构有下列优点： 驱动件减少，构件少； 工作空间大； 运动耦合较弱，容易解耦； 控制简单方便； 制造容 易，价格低廉； 正向求解简单。 在许多场合应用的并联机构只需部分自由度，例如 2 5 自由度就可以满足使 用要求 ，这类自由度少于 6 的并联机器人被称为少自由度并联机器人。自 2 0 世 纪 8 0 年代以来 ，世界各国的机构学学者先后开展了对少自由度并联机器人的研究。 美国、1 3 本、加拿大等国的学者先后给出了少自由度并联机器人的一些构型，例 如：A u s t a d 提出一

32、种基于两个并联机构的 5 自由度混合型结构；P i e r r o t a n d C o m p a n y 就提出了 4 自由度的系列并联机器人；有关 3 自由度并联机器 人问题的研究相对较多，像著名的 D E L T A 机器人 、3 一 R R R 机器人 、 3 一 R P S 机器人等。我国燕山大学、天津大学、东北大学等高校和科研院所的一大 批学者也相继开展了这方面的研究工作，提出了许多新机型并已研制出多台样机。 第 9 页 目前，关于少 自由度并联机器 人的研究开发和应用工作正日益广泛深入地进行中， 许多研究成果已经用于生产和科研中。 1.5 本文主要研究内容 本文以 3-RPS

33、 并联机构为研究对象，进行了运动学分析、工作空间分析及 三维运动仿真，为剖析该机构的设计机理，全文内容编排如下： 第一章阐述课题的研究背景及意义，简要概述了国内外相关领域的研究状况， 并提出本文主要研究内容。 第二章对自由度计算过程进行了描述，然后分析并联机构的组成原理，并建立 并联机构的运动学模型，分析研究并联机构的基本要素和内容。 第三章分析机构的组成与运动特点，针对 3-PRS 并联机构自身的结构特点，对 机构运动的反解与正解进行了分析。 第四章首先给出了工作空间的定义，并分析 3-RPS 并联机构的工作空间，通过 极限搜索的方法获得机构的极限位置。 第五章并建立三维模型，对机构进行仿真

34、分析，最后阐述机构的应用领域。 最后汇总全文得出主要结论。 各章均以引言开始，简要介绍该章的研究内容及目的；以小结结尾，简要归 纳该章所得结论。 第 10 页 第 2 章并联机构的组成原理及运动学分析 2.1 引言 由于并联机构具有刚度高、承载能力强、高动态性能、结构紧凑等特点，在某 些工业领域中已经越来越受到重视。6 自由度的并联机构由于结构的限制，还有些 关键技术没有得到解决，而且有许多应用场合只需要二、三、四或五自由度就可以 满足使用的要求，故近些年来少自由度并联机构已成为机构学新的研究热点。 本章首先对并联机构的自由度计算过程进行了描述，然后分析并联机构的组成 原理，并建立并联机构的运

35、动学模型，分析研究并联机构的基本要素和内容。 2.2 并联机构自由度分析 构件所具有的独立运动的数目称为构件的自由度。一个构件在未与其他构件联 接前，在空间可产生六个独立运动，也就是说具有六个自由度(如图 1.3 所示)。两个 构件直接接触构成运动副后，构件的某些独立运动将受到限制，自由度随之减少， 构件之间只能产生某些相对运动。运动副对构件的独立运动所加的限制称为约束。 运动副每引入 1 个约束，构件就失去 1 个自由度。两构件间形成的运动副引入了多 少个约束，限制了构件的哪些独立运动，则取决于运动副的类型。 图 2-1 6 自由度示意图 第 11 页 机构自由度的准确计算和表达是进行机构综

36、合最重要的理论基础之一，只有对 机构的自由度进行了正确有效的表达和计算，才会综合出相应的机构。从机构学出 现以来，有各种各样的方法对机构的自由度进行表达和计算。早在世纪，德国 和俄国的机构学家对此就有了比较完善的数学表达。这个时期，由于力的相互作用 原理已经广为人知，所以，对运动副在机构中所起到的作用有了较为深刻的认识： 即运动副既约束相联接的两构件之间的某些相对运动，也允许构件问存在一定的相 对运动。 在三维的空间中，每个完全不受约束的缸体或构件有六个自由度，则 n 个缸体 相对于其中的一个参照物共有 6（n-1）个自由度。当所有的刚体间用 g 个具有 fi自 由度的运动副联接起来时，该机构

37、的自由度为 F=6（n-g-1）+ （2- g i i f 1 1） 式中 F机构的自由度； g机构中包含的构件总数； m机构中的运动副数目； f第i个运动副的相对自由度数。 具有相同分支的少自由度并联机构的自由度是长期以来没有解决的难题，其主 要原因是少自由度并联机构存在过约束。1997 年，黄真教授681 用螺旋理论重新定 义公共约束，给出阶的计算方法，解释了用 GriiblerKutzbach 公式计算自由度的基 本原理。 2.3 并联机构的组成原理 并联机构是一种闭环机构，它由动平台和若干与机架相连的开式运动链通过并 联方式组成的复杂机械系统，动平台的自由度数目及类型与支链的数目和类型

38、有关。 并联机构的构型复杂多样，若按结构特征来分类分析，可以从三个方面分类：联接 型式、驱动方式、自由度数。 并联机构也可分为空间、平面和球面并联机构三种类 第 12 页 型。必备的要素如下： 末端执行器必须具有运动自由度； 这种末端执行器通过几个相互关联的运动链或分支与机架相联接； 每个分支或运动链由唯一的移动副或转动副驱动。 表 2-1 常见的三自由度并联机构分类： 自由 度数 机构类型构 件数 机构名称机构自由度类 型3-RRR 3-RPR 8 8 3- DOF平面机 构 3- DOF平面机 构 x,y,RZ x,y,RZ 3-RRR83- DOF球面机 构 RX,RY,RZ 3-R-S

39、S-SS113-DOF Deltax,y,z(立方结构) 3-UUR 3-UPU 8 8 3-DOF 移动机 构 3-DOF 移动机 构 x,y,z(立方结构) x,y,z(立方结构) 3-RPS83-DOF空间机 构 空间运动 3 2-UPS-1- UPU 83-DOF空间机 构 x,y,Rx 一般，为了使所设计的并联机构结构简单、制造方便、运动分析和控制容易， 设计并联机构大多遵循对称原则，即机构要满足一下三个要求： 1）并联机构每个运动链的自由度应相等； 2）并联机构每个运动链都应具有相同数目的驱动器数； 3）并联机构每个运动链的驱动器都应安排在同样的位置。 2.4 并联机构的研究内容

40、并联机构学与运动学分析主要研究并联机器人的运动学、奇异位形、工作空间 等方面，是并联机器人控制和应用研究的基础。另一方面是动力学。动力学分析方 法很多，主要有：拉格朗日(Lagrange)法、牛顿一欧拉(NewtonEuler)法、高斯 (Gauss）法、凯恩(Kane)法等。由于并联机构复杂，目前有关并联机器人的研究大都 集中在机构学方面，而对于动力学的研究相对较少。在应用方面，最早应用并联机 第 13 页 器人的领域是机械制造业，如美国 GiddingsLiwes 公司于 1994 年 9 月在芝加哥 国际博览会上首次展出了 VARIAX 型并联运动机床，引起轰动。它是一台 以 Stewa

41、rt 平台为基础的 5 坐标立式加工中心，标志着机床设计开始采用并联机构， 是机床结构重大改革的里程碑，被誉为“21 世纪机床”. 2.4.1运动学分析 并联机构的运动学分析是机构性能研究的重要组成部分之一。通过机构运动学 分析，可以了解已有机构的运动特性，以便对其合理有效地使用。并联机构运动学 分析的本质就是求解该机构的输入构件与输出构件之间的位置关系，这是运动分析 最基本的任务，也是机构速度分析、加速度分析、受力分析、工作空间分析以及灵 活度、刚度和精度分析等的基础。由于并联机构结构复杂，是多环多自由度的空间 机构，而且其运动具有强耦合性，故并联机构的运动学分析远比单环空间机构困难 得多.

42、 并联机构的位置分析可分为两个子问题，即位置正解和位置逆解。当给定并联 机构各驱动器的位置参数，求解末端执行器的位姿参数，称为并联机构运动位置正 解问题。当给定并联机构末端执行器的位姿参数，求解各输入关节的位置参数，称 为并联机构运动学位置逆解问题。在串联机构的位置分析中，正解比较容易，而逆 解比较困难；相反，在并联机构的位置分析中，逆解比较简单而正解却十分复杂， 这正是并联机构分析的特点。 2.4.2工作空间分析 工作空间通常是指并联机构末端操作器的工作区域，它是衡量并联机构综合性 能的重要指标之一，是并联机构工作能力的直接反映。工作空间一般由机构自身结 构以及尺寸决定，同时又是机构设计时某

43、些参数设定的依据，因此工作空间分析是 并联机构运动学设计中的重要内容。倘若并联机构工作空间较小，其应用将受到很 大限制。因此，国内外学者己在这方面进行了大量的研究。 根据操作器工作时的位姿特点，工作空间又分为可达工作空间和灵活工作空间。 可达工作空间为操作器上某一参考点可以达到的所有点的集合，此类工作空间不考 第 14 页 虑操作器的姿态。灵活工作空间是指操作器上某一参考点可以从任何方向到达的点 的集合，当操作器上的参考点位于灵活工作空间内的么点时，操作器可以绕通过彳 点的所有直线作整周转动。灵活工作空间是可达工作空间的一部分，因此又将其称 为可达工作空间的一级子空间，而可达工作空间的其余部分

44、称为可达工作空间的二 级子空间。在二级子空间内操作器只能在一定的姿态范围内到达某一点，也就是说， 这时操作器的姿态是受限制的。鉴于并联机构自身结构的复杂程度，其工作空间的 确定往往比较复杂，求解方法一般分为解析法和数值法。解析法求解在很大程度上 依赖于机构位置解的研究结果，至今尚无公认完善的方法，有关这一方面的文献也 有限。 工作空间的另一种确定方法是数值法，其中一类是利用并联机构的位置正解来 确定工作空间的边界，这也是传统串联机构工作空间的确定方法；但由于并联机构 的正解相当复杂，通常需求解多元非线性方程组，因此很难在应用中推广。数值方 法的另一类就是利用并联机构的位置逆解来确定工作空间边界

45、，该方法实质是一种 搜索算法，主要包括雅可比矩阵法、极限边界搜索法、网格法掣。其中，雅可比矩 阵法是根据杆长约束建立雅可比矩阵，所有使该矩阵不满秩的点即为边界点。极限 边界搜索法则是采用极坐标，利用极径和极角的改变在整个圆周上进行边界点搜索。 网格法则是将可能的工作空间划分为空间网格，计算所有网格点在给定的姿态下的 逆解，满足约束条件的即为有效点，包含全部有效点的最小曲面。 并联机构虽然经过了几十年的研究，在理论上比较成熟，但多数仍在实验室中， 真正投入到生产实践中的并联机器人还较少。近年来，先进制造技术的发展对并联 机器人的研究和发展起着积极的促进作用，也提出了更高的要求。如何解决并联机 构

46、在理论和实践上的一系列难题，使并联机构逐步从研究走向实用化，最终走向市 场，在我们的生活中发挥越来越多的作用，还需要各国科研工作者坚持不懈的研究 和探索。 第 15 页 2.5 本章小结 少自由度并联机构是并联机构的一类，为了更好的分析和认识各种少自由度并 联机构，本章首先从并联机构的自由度入手，并分析了并联机构的组成原理和要素， 以及研究并联机构的运动学分析和空间分析的要点及意义。 第 16 页 第 3 章 3-PRS 并联机构位置分析 3.1 引言 并联机构的运动学分析是机构综合性能研究的重要组成部分，是运动学设计的 基础。其中，位置分析是最基本的任务，同时也是机构速度分析、加速度分析以及

47、 灵活度、刚度和精度分析等的前提。位置分析分为位置正解和位置逆解，当给定机 构输入关节的位置参数，求解输出关节的位置和姿态称为并联机构的位置正解；当 给定机构输出关节的位置和姿态，求解输入关节的位置参数称为并联机构的位置逆 解。在串联机构的位置分析中，正解比较容易而逆解比较困难；相反，在并联机构 的位置分析中，逆解比较简单而正解却十分复杂。 本章首先对 3-RPS 并联机构的结构特征、动平台位姿能力进行了描述，然后构 造出 3-RPS 并联机构的运动学模型，通过模型结构的特点做出了机构位姿的反解， 然后是正解分析。 3.2 空间 3-RPS 并联机构 3.2.1机构组成 3-RPS 并联机构由

48、动平台、固定基座以及三条拓扑结构完全相同的支链组成， 其机构简图如图所示。对于每一条支链而言，是由定长连杆在一端通过球面副与 动平台相连，在另一端通过转动副与滑块相连，该滑块可以沿着固定于基座的滑道 上下移动。机构中各构件的布置采用对称方式，三条滑道垂直于固定基座并互成 。分布，转动副的转动轴线与滑道沿线及点到转动副中心连线垂直，球面 副亦互成均匀分布在动平台上。从而动平台和固定基座可以分别简化为等 边三角形，并且当三个滑块处于高度时，其中心连线也为等边三角形。 第 17 页 A B C c b a 图3-1 空间3-RPS并联机构示意图 机构运动特点: 3-RPS 并联机构是 3 自由度的空

49、间机构，其动平台可以实现一平两转混合运动， 针对该机构的结构特点及动平台的位姿给出详细描述，然后构造出其运动学模型， 并得到以下结论： 动平台绕、轴的转动将产生连带的绕轴的车专动以及动平台中心点 沿和轴的平移，这种运动是被动产生的。连带运动 X、Y 及 y 随岔、多的变化 呈面对称分布，各滑块保持同一高度且同步移动时不产生连带运动。 3.2.23-RPS 并联平台机构的位姿描述 1. 3-RPS 并联机构的位姿参数： U（Xc， Yc， Zc， ， ， ） （3- 1） 坐标系： 第 18 页 定坐标系：与地面故连的坐标系称为定坐标系。 动坐标系：与运动物体故连，并随其一起运动的坐标系称为动坐标系。 x y z YO X O 定坐标系 图