三自由度和四自由度并联机构的奇异性-研究

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1、第1章绪论1．1并联机构概述并联机构它可以定义为动平台和定平台通过两个或两个以上的独立的开环运动链相连接，机构具有两个或两个以上的自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构，它的出现可以回溯至19世纪初。1813年，法国学者Canch)gl】研究了与并联机构相关的一些理论问题。1931年，Gwinnett[2】在其专利中提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置；1940年，美国工程师Pollard[3]在其专利中提出了一种空间工业并联机构，用于汽车的喷漆；之后的1962年，GoBghl4】发明了一种基于并联机构

2、的六自由度轮胎检测装置。随后1965年Stewartl51首次对Gough发明的这种机构进行了机构学意义上的研究，并将其推广应用为飞行模拟器的运动产生装置，该机构是目前应用最广的并联机构，被称为Stewart机构。1978年，Hunt[6]首次提出把六自由度并联机构作为机器人操作器，由此拉开并联机器人研究的序幕。并联机器人作为一类全新结构的机器人自20世纪80年代以来开始引起机器人学理论界和工程界的广泛关注，与之相关的国际研讨会、研究论文的发表都在急剧增加。美国、日本先后有Ficher、Merlet等一

3、批学者【7’s】从事并联机器人的研究，英国、法国、德国、俄罗斯、韩国等国家的研究机构和企业也先后开展了研究工作。我国也非常重视并联机器人的研究与开发，中国科学院沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学、清华大学、天津大学、北京航天航空大学、燕山大学等许多单位都在开展了这方面的工作p13】，并取得了大量的研究成果。与传统的串联机器人相比，并联机器人具有刚度大、承载能力强、积累误差小、精度高、自重负荷小、动力性能好等一系列优点。串、并联机构的优缺点恰好相反，称为串并联的“对偶关系’’，由于对偶关系的存在，并联机器人

4、的出现，更加丰富了机器人的家族成员，弥补了串联机器人的不足，扩大了整个机器人的应用领域。目前并联机构主要有如下几方面应用：(1)飞行模拟器Stewart在1965年首次提出把6自由度并联机器人作为飞行模拟器，从此开辟了并联机器人应用的先河。在并联机器人领域，“Stewart．Gough平台机构"几乎是“飞行模拟器”的代名词。目前，国际上有很多家公司生产以并联机器人作为主体结构的各种飞行模拟器。并联机器人不但可用于飞行员三维空间训练模拟器、驾驶模拟器，还可用作一些娱乐运动的模拟台等。(2)数控加工中心并联

5、机器人在工业上的一个重要的应用就是可用于数控加工中心，又被称为并联机床或虚拟轴机床。和传统的串联式加工中心相比，并联机床具有结构简单，传动链短，刚度大，质量轻，切削效率高，响应速度北京]：业大学工学硕士学位论文快，成本低等特点，特别是很容易实现六轴联动，可用来加工复杂的三维曲面。如瑞典爱克斯康(EXECHON)公司【14】开发的新一代LINKS．EXE700并联机床，已广泛用于大众，波音等公司的生产制造。(3)微动机器人基于并联机器人工作空间不大但精度和分辨率都很高的特点，许多并联结构的微动机器人[15

6、,16]相继诞生，近年来在面向生物工程、医学工程及微操作等领域受到国内外学术界和工程界的广泛关注，被应用于实现细胞的注射与分割，微机电系统(MENS)和微外科手术等领域。(4)多维力和力矩传感器在力与力矩传感器中，力敏感元件的结构设计是传感器的关键核心问题。国内外很多学者把并联机构的思想引入到六维力传感器的力敏感元件结构设计上，如Kerr、Nguyen和Ferraresi以及国内北大的陈滨、华中科技大学的熊有伦【17q9】分别研究了Stewart平台结构六维力传感器的设计。燕山大学提出用弹性铰链来替代球

7、面副，使Stewart平台机构可设计成小尺寸，从而使Stewart平台机构适用于机器人手腕和手指上的六维力传感器，并且提高了力传感器的灵敏度和精度。总之，并联机构越来越受到人们的青睐，在那些需要结构刚度好、高动态性能、高精度的场合有着广阔的应用前景。1．2并联机构奇异位形的基本理论和研究综述1．2．1奇异位形的基本概述对于任何机构，在它的运动过程中总会或多或少地遇到特殊的位置，在这些位置，机构会出现特殊的现象，或者处于死点不能继续运动、或者失去稳定，甚至自由度也发生改变；特殊位形下还会出现受力状态变坏，

8、损坏机构的情况，这些影响了机构的正常工作。我们把发生这种现象的机构位形称为机构的奇异位形(singularconfiguration)或特殊位形(specialconfiguration)。在以往的串联机构中，把机构的速度雅可比矩阵的行列式值为零的位形称为奇异位形。这种奇异位形下，机构的速度反解不存在。即任意给定一个输出速度矢量，可能无法找到一个对应的输入速度矢量。此时各关节的运动矢量之间是相关的，从而导致末端构件运动自由度的减少。对于并联