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新型四自由度并联机构工作空间特性分析

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第23卷第4期 天津职业技术师范大学学报 Vo1.23 No.4 Dec. 2013 2013年12月 JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY OF TECHNOL0GY AND EDUCATION 新型四自由度并联机构工作空间特性分析 李永刚 ,姜子强 (天津职业技术师范大学机械工程学院,天津300222) 摘要:在建立新型四自由度机构2RRS一2RUS逆运动学模型的基础上,运用单开链法和支链子空间形成的包络面 法求解确立该机构的可达位置工作空间和姿态工作空间,并利用雅克比矩阵的代数特征定义约束条件,导出机构奇 异位形曲面的方程,据此求解出特定参数下该机构的奇异位形的边界曲线,确定系统在特定参数下出现奇异位形的 可能性。 关键词:并联机构;逆运动学;可达工作空间;奇异位形 中图分类号:TH112 文献标识码:A 文章编号:2095—0926(2013)04—0001—06 Analysis of workspace for a novel 4-dof parallel mechanism LI Yong—gang .JIANG Zi—qiang (School of Mechanical Engineering,Tianjin University ofTechnology and Education,Tianjin 300222,China) Abstract:Based on the inverse kinematics model of four degree of freedom 2RRS一2RUS,by using the envelope method single opened chain and a chain of space for the establishment of the mechanism of the position workspace and orientation workspace,the reachable workspace is determined based on the method of single-opened limb and subspace of the limb.Furthermore,the algebraic feature of the Jacobian matrix is used to define the constraint condition,based on which the boundary cure can be solved when the parameters are provided.Then,the singular configurations can also be identiifed for the given parameters. Key words:parallel mechanism;inverse kinematics;reachable workspace;singular configuration 并联机构具有刚度大、承载能力强、响应速度快 求解4条支链所形成子工作空间的公共交集来确定系 统的可达工作空间,并分析了各参数对该工作空间的 等优点,但是其工作空间的大小却相对有限,因此工 作空间的特性常常被用于评价系统性能和设计并联 机构参数的重要性能指标之一。并联机构的工作空间 主要是分析并联机构动平台的位姿实现的能力,计算 方法大致分为数值法和解析法fl-2]。解析法是以运动学 影响。此外,借助雅可比矩阵的代数特征来定义约束 条件,求解出工作空间产生奇异的边界。 1 2RRS一2RUS并联机器人的结构 2RRS ̄2RUS并联机器人的结构如图1所示,该并 联机器人主要由定平台和动平台及连接平台的4条支 链组成。每条支链包括驱动杆和固定杆,一端通过R副 与定平台连接,一端通过球副S与动平台相连。支链1、 正解为基础进行确定,求解困难且过程较复杂,但结 果精确。黄田等『3_曾运用单参数包络面理论求解了 Stewart工作空间边界的封闭解。数值法基于逆运动学 模型通过数值迭代确定工作空间的范围。如刘辛军 等[41对新型三自由度并联机构的工作空间做的具体分 析。鉴于奇异位形对系统性能的破坏性影响,关于并 3机构相同,为RRS约束支链;2、4相同,为RUS无约束 支链。约束支链中的转动副轴线相互平行,无约束支 联机构的非奇异性工作空间的研究吸引了众多研究 者的兴趣 。本文针对一种新型四自由度机构2RRS一 2RUS的结构特征,综合运用数值法和几何法,即采用 单开链分析法,将每一条支链看作独立的运动,通过 收稿日期:2013—11-06 链中的虎克铰一条轴线与该支链的R副平行,另一条 轴线与该支链的R副垂直,通过改变驱动杆的旋转角 度来调整动平台的位姿。 基金项目:国家自然基金资助项目(51005164);天津市自然基金资助项目(13JCQNJC04500);天津职业技术师范大学预研项目(KJY12-19) 作者简介:李永刚(1975一),男,副教授,博士后,研究方向为机构学. ・2・ 天津职业技术师范大学学报 第23卷 态矩阵 为: 动平台 R=Rot(O, )Rot( ,Y )Rot(d), ”)= 支链2 cO s0s6 s0c6 1  s0sl0 cOc+一s0cOs+一cos+一s ̄,cOc4,I(1) 1-c0sO ̄4,c6+cOcOs+-sOs++c0cOc6 I 虎克铰 支链1 式中:c表示COS;s表示sin;0、 、 分别为进动角、章动角 和自旋角。 各支链与定平台和动平台的连接点A 和B 分别在 图1 2RRS-2RUS并联机构结构图 机构坐标系的建立及参数的确定如图2所示。定 平台A A 和动平台 。B 分别是以尺和r为半径 的圆台,各支链与两平台的连接点分别为A ( 1,2,3,4)且均匀分布在圆台的边上。为便于分析,在 定平台的中心O上建立固定坐标系D ,’,,z1,礴由沿着 A 4 ,z轴垂直于定平台竖直向上, 轴满足右手定则。 在动平台中心P上建立动坐标系,W轴沿着 的方向垂 直于动平台, 沿着PB 的方向, 轴由右手定则确定。动 平台上各球铰中心在固定坐标系中表示为 一】, ”, 各支链中的驱动杆和固定杆长分别为了f 和f 驱动角 度分别为Ol ( =1,2,3,4)。 图2机构坐标系的建立 如果只考虑2、4支链,动平台可以进行 、y.z轴方 向的移动和绕 、ytilft方向的转动,但由于1、33E链中第 2个转动副的约束作用,动平台沿Y轴方向的移动受到 限制,最终在4个支链的约束下,该机构具有二维移动 和二维转动,即 、 轴方向的移动与绕 、y轴方向的 转动。 2机构的位置逆解分析 根据并联机构2RRS一2RUS的自由度类型可知,该 并联机构的位置逆解分析是已知动平台相对与定平 台的2个位置参数和2个姿态参数,求解4个驱动杆的 转动角度。动平台相对于定平台的位置变换可以用 一 】, 一 型的3个欧拉角( , ,西)进行描述,其相应的姿 定坐标系和动坐标系中的位置向量为: Al=(R,0,0) Bl=(r,0,0) A2=(0,一R,0) B2=(0,一r,0) A3=(一R,0,0) B3=(一r,0,0) A4=(0,R,0) B4=(0,r,O) 动平台上的参考点相对于定平台的位置向量rn为: =( ) (2) 在定坐标系中,动平台上各球铰链中心 的位置 向量,亦可通过旋转矩阵获得: B =r +R・B (3) 由于该新型四自由度的并联机构的特殊性,即 约束支链中的转动副轴线相互平行所带来的几何 约束为: B =0,B =0 (4) 将式(4)代到式(3),得 {【si n0"sin ̄b』_ ,0 =0 ( 、5) _=依上分析,可以得到动平台的位置参数有4个独 立变量( , , , )。已知4个独立变量,就可以通过并 联机构各支链间的闭环式量方程,求得并联机构的位 置逆解,即求得驱动副的转角( , , 。, )。 动平台中各铰链相对于D— 坐标系的坐标为: B =A + e +li2 ̄ (i=1,2,3,4) (6) 式中:lil为各支链的固定杆长; 为杆f 的方向向量;P 为固定连杆fI1的方向向量e =『sinot 0 COSOti](i=1,2, 3,4);联立方程(3)和方程(6),得到: Z = +R・ —A 一 l・e (i=l,2,3,4)(7) 将4 点和B 点的坐标及式(2)和式(5)代到式(7) 中,解得: l=at"cos(p 一r COS sin ± x/1122一(p +r COS O-R) 一(r sin sin ) ))/111) Ot2=aF cos(p 一r sin ± x/lZ- ̄px:一(尺 rI10s )/1: ) Ol3=al"cos(p。+r COS lfr sin 4- Z322一(p +r cos O-R) 一(r sin sin ) ))/l31) 第4期 李永刚,等:新型四自由度并联机构工作空间特性分析 ・ 3 ・ Ot4=ar cos(p +r sin .4- X/1422-(px2-(R—r cos ) ))/l41) (1)以运动副C点为圆心,以各支链与球副相连的 杆为半径r做圆。 (2)根据驱动角的范围进行驱动,OL】!= + m上式中每组有2个解,由于机构的对称性,当其中一条 支链角度输入确定时,相对支链中有2个解与其相对 血 —l 应,所以理论上其输入组合共有2×2×2×2=16组解。 但在实际应用中,16组逆解并非都可取,需要考 (i=0,1,…,m一1) (3)循环i次,其圆心轨迹变化导致运动空间变 化,最终4条单开链的运动空间的交集即为位置工作空 虑到机构运动的连贯性、准确性、机构的尺寸约束,甚 至机构的工作环境。综上所述,实际中只需采用一组 逆解作为驱动的求解参数即可。 3工作空间分析 根据并联机构的工作空间研究现状【”,可以根据 操作器的姿态特点,将工作空间分为可达工作空间、 灵活工作空间和可控工作空间。 影响工作空间的因素主要有:杆长的限制、转动 副转角的限制以及杆件的尺寸干涉。 max(/ )≤ l+l ma (咖1)≤[ 1_ t] —i:l,,z,2'j,4 3'4) (maxL 8) max( ̄z)≤ 2] 式中:[咖1]、[捌分别为转动副与球副的许用转角。 3.1可达工作空间 2RRS一2RUS机构具有2个平动和2个转动自由度, 其可达工作空间定义为满足约束条件的所有动平台 位姿参数 , ,0,lf,的集合。 为研究机构的可达工作空间特性,可以分别求得 机构在特定姿态下的位置工作空间和在特定位置下 的姿态工作空间。在分析位置工作空间时,采用单开 链分析法,即将每一条支链看作独立的运动,4条支链 所形成的工作空间的交集即为位置工作空间,此方法更 为直观,便于观察某个特定姿态下机构的工作空间。 位置工作空间:首先采用几何法对每一条独立支 链(单开链)进行分析,根据机构特点,支链1、3(RRS) 单独运动所形成的空间为一平面,而支链2、4(RUS)单 独运动形成的空间为一椭球面,如图3所示。 间 图3单开链运动空间 间,如图4所示。 a) :O。. =0。 (b)0=40o, =0。 c)0:0。, =30。 ,m (d)0=40。, :30。 图4单开链形成的位置工作空间 ・4・ 天津职业技术师范大学学报 第23卷 姿态工作空间:利用位置逆解方程,可以得到各 支链子空间边界曲线表达式: (R—r COS 9) +( —r sin sin ) + ( +r COS 0 sin 一 lI sin Ol1) =1122 (9) (只一r COS 0+R) + ( 一r sin 0一f2l sin Ol2) =f222 (10) (尺一r COSt ) +( 一r sin0 sin ) + ( 一r cos 0 sin 一f31 sin 3)。=Z322 (11) ( +r cos 0一R) + ( +r sin 0一f41 sin 0[4) =f422 (12) 当给定尺寸参数和位置参数 、 时,借助式 (10)、(12)可以得到 的取值范围,然后利用(9)、(11) 可以得到lf,、oN条边界包络线,最终在取值范围内由 两条包络线所形成的包络面即为姿态工作空间。 为了更直观地观察到姿态角 、 对位置 的影响, 首先给定 值,然后利用Matlab借助边界搜索法求得。 根据机构的自由度特性,将动平台沌轴的移动方 向分割成 的子空问。 (1)给定 的最小值 ,依次对姿态角 、 进行 搜索。 (2)将 增力Ⅱ ,即 =z + 兰蛸 争( =l,2,3,4), m一1 循环i次后,重复步骤(2),直到z取到z一 采用类似的方法,同理可以求得对 的影响。 3.2无奇异工作空间分析 奇异性的影响主要在于:当机构处于奇异位置 时,系统会瞬间获得或失去一个或多个自由度,导致 机构运动失控。当求得的雅克比矩阵行列式为oN,/,机 构就会出现内部奇异位型,机构的驱动力传递效率极 差或运动状态将会发生不可预测的变化,且此类奇异 位型无法通过参数设计避免。当已知 、 姿态角时,能 得到位置奇异轨迹曲线;当已知只、 时,能得到姿态 奇异轨迹曲线。因此在研究工作空问时,为保证机构 的运动性能需要将奇异位姿的工作空间去掉,得到无 奇异的工作空间,即满足条件: .八P ,P , ,0)=IJI≠0 (13) 式中:.,为完整雅克比矩阵。 ( 1× 13) (b2xs24) T 24 22 T T T (63×s33) J= ]= (14) (易 × ) T ¥44 42 (61× l1)T (b3× 31) 其中: 为运动子矩阵;Jc为约束子矩阵;易 为点 的位 置矢量,即 =RB ; 为第i条支链的第 个转动副的单 位方向向量。 通过式(13)可以得到一组含有 、Pz、0、 的4个未 知参数的奇异位型曲面方程,在给定固定位置 、 的 情况下,奇异位型曲面方程变为关于0、 的双参数隐 函数方程。其含义为选定了空间某个不变点位,并保 持不动,让欧拉角( , )变化,得到所有能达到该固定 位置的欧拉角。 (1)给定姿态角 ,根据厂( , )求得0,令 = + ( 0,1,…,m一1) |fL—I 循环i次,再逐次搜索0,最终得到姿态角0随 变化的奇 异位形边界曲线。 (2)给定姿态角 ,根NU(0, )求得 ,令 Oi= + ( 0,1,…,m一1) 玎 —l 循环i次,再逐次搜索 ,最终得到姿态角 随0变化的 奇异位型边界曲线。 3.3数值算例 给定机构结构参数,动定平台外接圆半径分别为 R:0-3 m,r:0.2 m;杆长分别为Z11=zl3=0.4 m,Z21=141= 0.38 m,Z =f3,=0.5 m,f42=f42=0.52 m;转动副与球面 副的许用转角分别为 】=30。 ̄150。, 2]= ̄45。。 根据2RRS一2RUS机构的运动特点,其运动空间为 关于机构坐标系Y轴对称的平面。从图4(a)、(d)可以看 到,此时机构的姿态角为0=0。, =OO和0=40。,lf,= 30。时,机构单开链所包络形成的工作空间沿着 向左 右对称,比较图4(a)、(b),机构的z向移动能力随着0角 的增大而减小,比较图4(c)、(d)机构的 向移动能力随 着 的增大而减小。 图5所示为单开链形成的姿态工作空间。比较图5 (a)、(e)可以看出,随着机构 向偏移量的增大,姿态角 的转动能力下降。比较图5(c)、(d),机构随着z向位移的 增大, 姿态角的转动能力下降。 图6所示为2RRS一2RUS机构工作空间。从图6(b) 中发现 正负向的移动能力是关于 姿态角对称的。 图7所示为2RRS一2RUS姿态工作空间边界与奇异 位形边界。由图7(a)和(b)可以看到,在所给的机构参 数范围内和给定的位置参数下,机构的工作空间截面 与奇异位形截面未出现交点,即此时未发生奇异。 图7(e)、(d)中,当2RRS一2RUS机构在 =0.3, = O.75时,机构的工作空间截面与奇异位形截面出现 了交点,即在该位置出现了奇异位形,设计时应该 避免。 ・6・ 天津职业技术师范大学学报 第23卷 一工作空间截面和奇异位形截面 =0 =0 35 ・工作空间截面和奇异位形截面( =0,z=0 35) ・工作空间截面和奇异位形截面 =0.15, =0 55) 喜 f/rad (c)one,变化时的工作空间边界与奇异位型边界 (d) 随p变化时的工作空间边界与奇异位型边界 图7 2RRS一2RUS的姿态工作空间边界与奇异位形边界 allel manipulators[J].Journal ofMechanical Design,1990, 4结论 1j112(3):331—336. 曹永刚,张玉茹,马运忠.6-RSS型并联机构的工作空间 (1)基于矢量法建立了该机构的逆运动学方程, _寸 分析与参数优化[J].机械工程学报,2008,44(1):19—24.  1J]j]j 给定动平台的4个独立参数,即可求解出各个驱动参数。 (2)利用数值法,通过确定单支链的工作空间和 求解4个支链的交集即可确定机构的可达工作空间, 并可分析各参数对它的影响。 黄田,汪劲松,WHITEHOUSE D J.Stewa ̄并联机器人位置 空间解析[J].中国科学,1988,28(2):136—145. 刘辛军,汪劲松,李剑锋.一种新型空间3自由度并联机构 的正反解及工作空间分析[J].机械工程学报,2001,37(1O): 36—39. (3)以雅克比矩阵行列式为零定义约束条件,通 过列出奇异位形曲线方程可求得奇异位形的工作空 间的边界,为机构的进一步研究提供了理论支持。 参考文献: [1] GOSSELIN C M.Determination of workspace of 6 DOF par- 李保坤,曹毅,黄真,等.基于单元四元数的Stewart机构姿 态工作空间研究[J].机器人,2008,30(7):355—358. 鲁开讲,牛禄峰,刘亚茹,等.3-RPS并联机构奇异位形及 工作空间研究[J].农业机械学报,2007,38(5):143—146. 胡国胜.并联机器人的工作空间研究现状[J].仪器仪表用 户,2004,11(6):1—3. 

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