六自由度并联机器人奇异位形的研究

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1、摘要奇异位形，也称特殊位形，是机构的固有性质也是机器人机构的一个十分重要的运动学特性，机器人的运动、受力、控制以及精度等诸方面的性能都与机构的奇异位形密切相关。因此有必要对并联机构的奇异位形做更深入的研究，以减少和消除奇异位形的影响，进一步提高并联机构的性能，促进并联机构的实用化和产品化的发展。本文系统的对六自由度并联机器人的奇异位形问题进行了全面的研究，主要研究内容包括以下几方面：论文介绍了并联机构奇异位形的基本理论。阐明了奇异位形的基本定义，明确了机构处于奇异位形下的物理意义；介绍了国内外有关并联机构的

2、奇异位形的研究方法、分类方法以及并联机构奇异的运动学原理，最后研究了机构奇异时瞬时运动螺旋的求解方法。对3／6．SPS型Gough-Stewart并联机构在三维空间中的位置奇异轨迹的分布及结构特性进行了深入的研究。推导出了该并联机构在三维空间中的位置奇异轨迹的解析表达式，提出了分析该并联机构奇异位形的等效机构法，采用此方法推导出了当该并联机构处于一般姿态时机构在9．平面上的位置奇异轨迹方程并研究了其在相互平行的0一平面上的位置奇异轨迹的分布及结构特性，最后对该并联机构处于各种姿态时机构在三维空间中的位置奇异

3、轨迹的分布及结构特性进行了总结。对6／6．SPS型Gough-Stewart并联机构在三维空间中的位置奇异轨迹的分布及结构特性进行了深入的研究。推导出了该并联机构在三维空间中的位置奇异轨迹的解析表达式，基于此解析表达式，又推导出了该并联机构在主截面上的位置奇异轨迹方程并研究了机构在相互平行的主截面上的位置奇异轨迹的分布及结构特性，最后对该并联机构在三维空间中的位置奇异轨迹的分布及结构特性进行了总结。研究首次发现，6／6．SPS型Gough-Stewart并联机构也存在六个线矢量均交于一个公共线矢量的奇异位形

4、，并且当机构处于同一姿态时，在空间中可能存在多个位置此时六个线矢量均同时交于一个公共线矢量。对6／6．SPS型Gough-Stewart并联机构的姿态奇异及姿态能力进行了研究。推导出了该并联机构处于给定位置时机构的姿态奇异轨迹的解析表达式，首次提出了姿燕山大学]：学博士学位论文态能力的性能指标，研究了机构动平台的几何外形、动平台和定平台的外接圆的半径比、动平台的位置对该并联机构的姿态能力的影响。机构的姿态能力的研究为该并联机构的优化设计提供了重要的理论指导。最后对6／6．SPS型Gough-Stewart并

5、联机构的姿态工作空间进行了研究。提出了计算该并联机构的姿态工作空间的算法，并提出了非奇异姿态工作空间、实际姿态工作空间的概念及其相应的算法，通过计算机仿真给出了一个具体的该并联机构的姿态工作空间、非奇异姿态工作空间以及实际姿态工作空间的三维可视化描述。关键词六自由度并联机构；奇异位形；姿态工作空间；性能指标；位置奇异；姿态奇异；非奇异姿态工作空间：姿态能力llAbstractSingularconfiguration,i．e．specialconfiguration，isanintrinsicpropert

6、yofmechanismswhichisalsooneoftheimportantproblemsinrobotkinematicsofparallelmechanisms．Ithasgreateffectsonperformancesofparallelmechanismssuchasthemotionability,forces，controlandaccuracyetc．Inordertoreduceandeliminateeffectsofsingularconfigurations，improve

7、performancesofparallelmechanismsandpromotepracticalizationandproductizationofparallelmechanisms，itisindispensablethatfurtherresearchonsingularconfigurationsofparallelmechanismsshouldbemaid．Thisdissertationwillsystematicallyandfullyinvestigatesingularcon埏ur

8、ationsofSixDegreesofFreedom(DoF)parallelmanipulators，themaincontributionsofthepaperareasfollows；Anoverviewoffundamentaltheoriesonsingularityofparallelmechanismsisintroduced．Thedefinitionofsingularconfiguratio