4ups2bupu并联机构奇异特性与动力学建模分析

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1、学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文《4UPS+UPU并联机构奇异特性及动力学建模研究》，是本人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工作所取得的成果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：年月日76万方数据万方数据论文审阅认定书研究生在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文

2、撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。导师签字：年月日万方数据万方数据致谢本论文是在我的导师程刚教授的悉心指导下完成的，倾注了导师大量心血，在导师的指导、鼓励、资金上的大力支持以及生活上的关心与帮助下，本论文才得以顺利完成。在此，谨向我的导师致以最崇高的敬意和最深切的谢意！师从三载，收获颇丰，感触亦深。导师优秀的做人品质，渊博的专业知识，严谨的治学态度，开拓创新的精神，敏捷果断的判断力，高屋建瓴把握全局的能力，忘我的工作精神给我树立起潜移默化的典范作用，这也是导师传授给我最宝贵的财富。攻读硕士学位期间，刘后广老师始终给予了热情的支持和指导，在此向刘后广老师表示衷心

3、感谢。在本论文的完成过程中，还得到了课题组博士研究生王松涛、硕士研究生袁欣、李阳、山显雷等全体同学热心无私的帮助，在此一并表示深深的谢意。课题组在导师的带领下共同营造出温馨、活泼、严谨、进取、创新的学术氛围，使我在研究过程中受益良多。特别感谢这些年来在我学习生涯中所有给予教导、关心和帮助的老师和同学。值此论文完成之时，对本人学业默默支持的父母和兄长，以及其他所有的亲人和朋友们，表示深深的敬意和最衷心的感谢！最后，感谢各位专家、学者百忙之中对本文的评阅和指正。汤萍二○一四年五月万方数据万方数据摘要并联机构作为一种机器人操作机构，其作为输出执行器的动平台具有“精度高、刚度高、速度高”的特点。由于6

4、自由度并联机构结构复杂、难以控制，且部分关键技术未得到解决，因此并没有被广泛应用于工程实际中。与传统6自由度并联机构相比，少自由度并联机构具有结构简单，设计、制造和控制的成本都相对较低的特点，目前已经成为机器人研究的一个新热点。鉴于此，本文针对一种4UPS+UPU并联机构，能够实现3个转动自由度和2个移动自由度。以该并联机构为研究对象，对其运动学、奇异位形、工作空间及动力学进行了分析。主要研究内容可概括如下：结合约束力/矩的性质分析了4UPS+UPU并联机构的运动自由度。基于欧拉变换法，对该并联机构进行了运动学分析，得到了其位姿、速度和加速度的解析表达式以及Jacobian矩阵和Hessian

5、矩阵。通过数值仿真，得到了给定动平台运动规律下的驱动支链长度、速度和加速度的变化规律。建立了4UPS+UPU并联机构支链与动平台的静力学平衡方程，根据机构静态力学转换矩阵的plǜcker坐标表达式得到6条空间分析直线，基于Grassmann线几何理论，结合6条直线之间的线性相关性研究了该机构的奇异特性。从几何本质上对该机构可能存在的正运动学奇异位形进行研究，得到了各线簇秩对应的奇异位形，并推导出了机构处于各奇异位形时的约束方程。通过数值仿真，得到了各奇异位形对应的奇异轨迹以及相应余弦参数的变化规律。为确保4UPS+UPU并联机构的运动能力，须分析其运动空间特性。文中以运动空间的体积大小作为评价

6、指标，得到相应的结构初步优化参数。为了获得整个工作空间内的运动性能，并避免由于量纲不统一引起的分析不便，分别建立了位置工作空间和姿态工作空间的运动性能评价指标。在此基础上，进一步研究了整个位置工作空间和姿态工作空间内的条件数随结构参数的变化情况，得到了对应于不同条件数限制下的工作空间范围。根据机构刚体模型，建立了各个支链速度和加速度的数学模型，得到了机构中各杆件的Jacobian矩阵。结合运动学分析结果，得到了该并联机构构件作用力/力矩，构成了机构动力学分析的基础。基于虚功原理，对机构的动力学问题进行了分析，建立了该机构的整体逆动力学模型。在此基础上，建立了不同物理意义下的动力学性能指标，并将

7、其结合，得到了包含系统各构件速度、加速度以及重力在内的动力学综合传递性能指标和衡量机构平均性能的全域性能度量指标。通过数值仿真，得到了该并联机构驱动力的变化曲线图及各动力学性能指标随动平台角度及机构几何参数的变化规律。I万方数据该论文共有图45幅、表3个、参考文献100篇。关键词：4UPS+UPU并联机构；运动学分析；奇异位形；工作空间；动力学分析；II万方数据AbstractAsarobotme