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【6h】

3-PPR球面并联机构运动学性能研究与应用

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摘要

1.1 研究背景

1.2 并联机构的应用

1.3 并联机构的研究现状

1.3.1 运动学分析

1.3.2 奇异性分析

1.3.3 工作空间分析

1.3.4 动力学分析

1.4 本课题研究的主要内容

1.5 本章小结

2.1 引言

2.2 机构位置分析

2.3 机构的自由度分析

2.4 基于螺旋理论对机构的奇异性分析

2.4.1 完整雅可比矩阵

2.4.2 奇异性分析

2.5 机构的工作空间分析

2.5.1 影响3-PPR球面并联机构工作空间的因素

2.5.2 工作空间的确定

2.6 本章小结

3 3-PPR球面并联机构的影响系数矩阵分析

3.2 少自由度球面并联机构影响系数的直接法

3.2.1 影响系数的概念

3.2.2 一阶影响系数及速度分析

3.2.3 二阶影响系数及加速度分析

3.3 3-PPR球面并联机构影响系数矩阵的建立

3.3.1 机构的一阶影响系数矩阵

3.3.2 机构的二阶影响系数矩阵

3.4 3-PPR球面并联机构的速度及加速度实例分析验证

3.4.1 基于Matlab数值分析的影响系数求解

3.4.2 基于Adams仿真分析验证

3.5 本章小结

4.1 引言

4.2 3-PPR球面并联机构的虚拟机

4.3 运动学仿真分析

4.3.1 恒速驱动对运动学的影响

4.3.2 正弦驱动对运动学的影响

4.4 本章小结

5 3-PPR球面并联机构在脚踝康复机上的应用

5.1 脚踝康复机理对机构的要求

5.2 机构驱动的选择

5.3 应用于脚踝康复机上仿真模拟

5.4 本章小结

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间已发表的论文

致谢

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摘要

三自由度球面并联机构是少自由度并联机构的重要分支。动平台上的参考点在球面上运动。由于其特殊的运动轨迹,可以应用到具有球面要求的工作任务中,如:高精密的球面机械加工、航天航空的定位和测绘系统、仿生关节的结合处等。本文选择3-PPR球面并联机构为研究对象,分别从理论角度和数值验证角度研究该机构运动学特性,为3-PPR球面并联机构的产品化提供理论依据。
  首先,利用3-PPR球面并联机构的结构特点建立了矢量闭环方程,在静坐标系中,对该球面并联机构中运动副的位置坐标进行了计算,给出了该机构中各运动副的位置矢量,写出3条支链的运动螺旋系,计算了并联机构的自由度,且与运动螺旋系的反螺旋系进行对比分析,验证计算结果的正确性。
  其次,在该机构每条支链的运动螺旋系的基础上,利用螺旋理论推出反螺旋系建立约束子矩阵和运动子矩阵,再利用矩阵理论知识,对约束子矩阵和运动子矩阵组成的完整雅可比矩阵的秩进行考察计算,分析发生约束奇异和运动奇异的条件,讨论发现该机构不存在奇异位形。
  再次,对3-PPR球面并联机构中影响工作空间的因素进行分析,并给出影响因素的范围。结合该机构的运动正解方程,利用蒙特卡洛法搜索法,在Matlab中进行计算,求解出该球面并联机构的可达工作空间,并与该机构的奇异性进行相互验证,证明求解结果的正确性。
  然后,讨论了少自由度并联机构影响系数的直接法。利用各支链的运动螺旋系,给出3-PPR球面并联机构的一阶影响系数矩阵和二阶影响系数矩阵,并且利用数值法和仿真法对该并联机构的一阶影响系数矩阵和二阶影响系数矩阵进行实例验证,对比分析各方法的结果,验证影响系数矩阵的正确性。
  对3-PPR球面并联机构建立模型进行仿真,通过改变驱动函数的设置,并对比分析不同模式下,恒速驱动和正弦驱动对3-PPR球面并联机构运动学的影响。
  最后,基于脚踝运动特性的研究和脚踝康复机理对机构的要求,对3-PPR球面并联机构进行重新设计,规划出脚踝处的运动轨迹,选择适合的驱动模式,并给出示例进行仿真验证,并对比脚踝运动特性和脚踝康复机理对机构的要求,证明3-PPR球面并联机构应用在脚踝康复机器人中的可行性。

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