四自由度運(yùn)動平臺.doc

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畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目 模擬飛機(jī)駕駛艙運(yùn)動控制機(jī) 構(gòu)設(shè)計 專業(yè) 工業(yè)工程 班級 工程123班 學(xué)號 3120212001 學(xué)生 方圓 指導(dǎo)教師 高峰 職稱 教授 二○一六 年  摘要 本課題的研究對象是飛行模擬器運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計，但是實(shí)現(xiàn)其功能的是一個并聯(lián)三自由度運(yùn)動平臺，作為運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)的重要組成部分，它是實(shí)現(xiàn)飛行模擬器功能的運(yùn)動載體，在本課題中主要是實(shí)現(xiàn)飛行模擬器的三個自由度運(yùn)動的功能，即模擬飛行模擬器駕駛艙的升降、俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航等運(yùn)動姿態(tài)。 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)研究學(xué)近幾年發(fā)展迅速，愈來愈多的研究學(xué)者和該專業(yè)愛好者都投身于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究中，尤其是少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究，隨著其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展已逐漸成為該領(lǐng)域的熱門課題之一。因此隨著并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究的發(fā)展狂潮，學(xué)者們也開發(fā)出很多新型機(jī)構(gòu)，這些新型機(jī)構(gòu)還需要長時間的理論研究和工程實(shí)踐中的應(yīng)用才能進(jìn)一步證明其結(jié)構(gòu)的合理性和優(yōu)越性，因此新機(jī)構(gòu)還需要進(jìn)行大量的綜合研究，包括分析、設(shè)計、計算。本課題主要研究對象是一種新型的四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，它與傳統(tǒng)的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，在很多方面都具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，尤其是在其結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造加工方面都相對簡單且易控制；除此之外，該并聯(lián)機(jī)構(gòu)各分支完全相同、結(jié)構(gòu)對稱，在應(yīng)用潛力方面是其他機(jī)構(gòu)所不能相比的。對于目前國內(nèi)外少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究狀況，通過查閱文獻(xiàn)我們發(fā)現(xiàn)國內(nèi)對二、三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究較多且形成了一定的理論基礎(chǔ)，基本走向成熟階段，并在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，而國內(nèi)對四、五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究相對要欠缺很多，其主要原因是因?yàn)樗?、五自由度并?lián)機(jī)構(gòu)的研究相對較為復(fù)雜,而且起步較晚，研究成果也相對較少，故而在一定程度上限制了該類并聯(lián)機(jī)構(gòu)在實(shí)際工程中的發(fā)展和應(yīng)用。本課題基于此對目前已有的一種三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)3-RPS的機(jī)構(gòu)情況、某些運(yùn)動特性進(jìn)行了理論分析。 本課題對一種新開發(fā)的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)3-RPS進(jìn)行了大量的理論分析，描述了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性，根據(jù)螺旋約束理論求解了該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度，基于此理論可以進(jìn)一步判別機(jī)構(gòu)的輸入選取能否確定實(shí)現(xiàn)工作平臺的輸出，進(jìn)而判斷輸入選取是否合理；其次，分析了3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)，參考螺旋約束理論推導(dǎo)出了位置反解的算法，帶入進(jìn)行了數(shù)值驗(yàn)證。最后，用solidedge三維繪圖軟件對3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)繪圖和裝配。 本論文的工作主要是為了進(jìn)一步研究三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性，在其工程實(shí)踐領(lǐng)域奠定了一定的基礎(chǔ)，也為今后在該領(lǐng)域的發(fā)展提供了一些理論上的支持。 關(guān)鍵詞：并聯(lián)機(jī)構(gòu)；3-RPS機(jī)構(gòu)；螺旋約束理論；運(yùn)動學(xué)分析； Abstract As motion-base of flight simulator, parallel three-DOF motion system is one of the chief part in the flight simulator. Its motion nature is one kind mechanism, which can provide heave, pitch, roll, yaw. The lower-mobility parallel mechanisms are presently hot topics in the field of robotics research. A lot of scholars have open out varieties of novel mechanisms. But before they enter into the field of actual engineering applications comprehensive investigations must be done. Spatial imperfect-DOF parallel robots have received much attention for the advantages of their simple mechanism, low cost in designing, manufacturing, and controlling, comparing with traditional six-DOF parallel mechanism. Especially symmetric imperfect-DOF parallel mechanism with identical branch, symmetric construction, isotropy have great applicable potentiality. The research of two, three-DOF parallel mechanism have basically been finished, however the research of four, five-DOF parallel mechanism just begin, which limit the development and application of this kind of parallel mechanism to some extent. In this dissertation, some kinematics characteristics of one three-DOF parallel mechanism that have existed are theoretically studied. In this paper firstly a new type lower-mobility parallel symmetrical mechanisms-3-RPS has been discussed chiefly including its mechanistic characteristic and its motion based on screw theory. The accuracy of choosing input is considered. Secondly, the kinematics of the four-DOF parallel mechanism are developed. The solution of the inverse position kinematics and corresponding numerical examples are given. Finally, the kinematics of the three-DOF parallel mechanism is simulated by using ADAMS. The research work of this thesis establishes theoretical basis for the further research of the three-DOF parallel mechanism practically and given the theoretical support for the future application.  目 錄 第1章 緒 論 5 1.1研究的背景及意義 5 1.2六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究概況 6 1.3少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究概況 8 1.4少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展前景 9 第2章 基礎(chǔ)知識介紹 10 2.1坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)一姿勢矩陣的歐拉角表示法 10 2.2并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析 11 2.3運(yùn)動平臺的自由度分析 13 第3章 并聯(lián)機(jī)構(gòu)4-RPUR的基礎(chǔ)分析 14 3.1引言 14 3.2 4-RPUR的結(jié)構(gòu)與約束特征 14 3.3 運(yùn)動學(xué)分析 15 3.4并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置反解分析 17 3.5機(jī)構(gòu)的約束情況 19 3.6數(shù)值分析 19 第4章 總結(jié)與展望 20 參考文獻(xiàn) 21 致 謝 22 第1章 緒 論 1.1研究的背景及意義 飛行模擬器按顧名思義就是可以模擬飛行器飛行的設(shè)備，它與真實(shí)的飛行器相比，能很大程度上模擬出飛行器在空中的飛行狀態(tài)，基于此種特性，飛行模擬器近幾年已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在各種飛行試驗(yàn)和娛樂設(shè)施中了，這樣就大大的提高了飛行試驗(yàn)方面的安全性和經(jīng)濟(jì)性，因此對于飛行模擬器的研究據(jù)有很大的現(xiàn)實(shí)意義。飛行模擬器作為一種重要的航空航天仿真設(shè)備【1】，其最大的優(yōu)勢是可以實(shí)現(xiàn)在地面上很大程度地模擬出飛行器在空中的飛行狀態(tài)，同早年用真實(shí)飛機(jī)進(jìn)行實(shí)際的飛行試驗(yàn)相比，在安全、經(jīng)濟(jì)、可靠性方面都要遠(yuǎn)高于真實(shí)的飛行器，更重要的是，它的仿真幾乎完全是可控的?，F(xiàn)在的飛行試驗(yàn)基本都由飛行模擬器執(zhí)行，特別是進(jìn)行最危險的飛行科目訓(xùn)練，能夠最大程度上的保護(hù)飛行員的人身安全，還可以避免了飛行設(shè)備的意外損壞，現(xiàn)在無疑是進(jìn)行飛行試驗(yàn)的最佳途徑。目前，飛行模擬器已經(jīng)能基本實(shí)現(xiàn)飛行器研究和飛行試驗(yàn)的功能，廣泛地應(yīng)用在飛行器的研究、設(shè)計、試驗(yàn)等各個方面，同時也是飛行員和航空員接觸飛行訓(xùn)練和教學(xué)的主要途徑。因?yàn)椴还軞夂驐l件有多么惡劣、訓(xùn)練場地多么狹小，都能在飛行模擬器上進(jìn)行常規(guī)操作訓(xùn)練，還能處理一些事故以提升訓(xùn)練者的應(yīng)變能力【2】，這樣極大程度地提高了訓(xùn)練的效果和質(zhì)量。作為現(xiàn)代航空科學(xué)的重要組成部分，目前仍以高速的狀態(tài)發(fā)展，在眾多學(xué)者的研究下，其在該領(lǐng)域的發(fā)展也愈加成熟。 模擬飛機(jī)駕駛艙的運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)是一個少自由度并聯(lián)運(yùn)動平臺，而運(yùn)動平臺是在相應(yīng)的運(yùn)動模擬機(jī)構(gòu)上，用來模擬仿真飛行器的運(yùn)動特性的，運(yùn)動平臺的運(yùn)動模擬功能可以大幅度降低航空、航天、航海等作業(yè)的訓(xùn)練成本，使航空航天事業(yè)多快好省的發(fā)展，近幾年的研究發(fā)展也表明，運(yùn)動平臺在海陸空眾多運(yùn)載工具中扮演著極其重要的角色。縱觀現(xiàn)在的飛行訓(xùn)練，幾乎所有的飛行試驗(yàn)都是在飛行模擬器上完成的。 在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的幾大應(yīng)用領(lǐng)域中，運(yùn)動平臺是近幾年新興起來的。反觀其發(fā)展歷史，之所以能發(fā)展如此迅速，正是由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在其實(shí)踐工程領(lǐng)域的優(yōu)越性，具體來說，主要是它的結(jié)構(gòu)簡單、控制復(fù)雜多變，因此對并聯(lián)機(jī)構(gòu)各方面性能的研究將顯得極其重要。目前國內(nèi)外學(xué)者對并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究領(lǐng)域極為廣泛，其中對并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析和機(jī)構(gòu)學(xué)分析內(nèi)容主要研究機(jī)奇異位形、工作空間等問題。運(yùn)動平臺分為串聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動平臺和并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動平臺，它們的運(yùn)動方式在本質(zhì)上有著根本的不同。傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)，其主要在于結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，運(yùn)動精度不僅精確而且極其容易控制，這樣一來，使并聯(lián)機(jī)構(gòu)在實(shí)踐中有著更為廣泛的應(yīng)用；在機(jī)構(gòu)學(xué)研究中，我們發(fā)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)有著相對較大的剛度質(zhì)量，故而運(yùn)動慣性相對較小、承載能力相對較強(qiáng)。雖然并聯(lián)機(jī)構(gòu)有著其他機(jī)構(gòu)不具有的優(yōu)點(diǎn)，但也不可避免的存在一些缺點(diǎn)，具體來說是其運(yùn)動空間相對較小、設(shè)計計算過程相對復(fù)雜、運(yùn)動學(xué)正解比較困難等。 1.2六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究概況 縱觀近幾年機(jī)構(gòu)學(xué)的研究發(fā)展，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。并聯(lián)機(jī)構(gòu)在其結(jié)構(gòu)上的特殊性，使它具有其他機(jī)構(gòu)所不具備的特性，這也是它發(fā)展迅速的原因之一，間接證實(shí)了其具有較高的實(shí)用價值和廣闊的應(yīng)用前景，更多的研究學(xué)者已經(jīng)開始認(rèn)識到了并聯(lián)機(jī)構(gòu)在眾多應(yīng)用領(lǐng)域的重要性，因而并聯(lián)機(jī)構(gòu)的理論研究也受到了國內(nèi)外眾多愛好者的廣泛關(guān)注。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究和應(yīng)用現(xiàn)在已逐漸趨于成熟，最早的并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用是Stewart【3】，它是一個六自由度的運(yùn)動平臺，正因?yàn)槿绱?，現(xiàn)在的六自由度運(yùn)動平臺已基本成熟。在眾多六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)中， Stewart運(yùn)動平臺的構(gòu)型最為典型且非常廣泛。六自由度并聯(lián)運(yùn)動平臺Stewart開始應(yīng)用到飛行模擬器是在1965年，從此也可以看出國外對 Stewart 并聯(lián)平臺機(jī)構(gòu)的研究起步相對國內(nèi)較早，1986 年美國俄勒岡州大學(xué)的學(xué)者Fichter 制作出了電機(jī)驅(qū)動線性手臂【4】，它的功能實(shí)現(xiàn)主要依賴Stewart運(yùn)動平臺。兩年后，Hudgens 和Tesar 仿照電機(jī)驅(qū)動手臂原理制作出了并聯(lián)平臺式微操作機(jī)器人，它同樣是采用 Stewart 運(yùn)動平臺作為其功能實(shí)現(xiàn)的承載平臺【5】。 1989 年，Kerr 設(shè)計了并聯(lián)平臺式傳感器【6】，其并聯(lián)平臺也是Stewart運(yùn)動平臺，正是因?yàn)閷τ赟tewart運(yùn)動平臺的研究，其研究領(lǐng)域變得越來越廣泛。所以才有了1993年Nguyen 提出的力矩傳感器【7】，它的工作原理便是參考Stewart平臺的運(yùn)動而設(shè)計的。次年在并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域便有了更大的突破，其代表是美國 Giddings&Lewis 公司研發(fā)的VARIAX 虛擬軸機(jī)床，它仿照Stewart 平臺實(shí)現(xiàn)的六個自由度的運(yùn)動，將其應(yīng)用到機(jī)床中，這是數(shù)控機(jī)床創(chuàng)新的里程碑。后來許多國家也相繼研制了并聯(lián)機(jī)床。 不同于國外學(xué)者對于并聯(lián)運(yùn)動平臺研究的敏銳性，國內(nèi)學(xué)者在看到六自由度并聯(lián)運(yùn)動平臺機(jī)構(gòu)發(fā)展的廣闊前景后才開始研究，因而相比國外的研究起步較晚。我國首臺六自由度并聯(lián)機(jī)器人樣機(jī)在1991年由黃真教授研制，同年，黃真教授又研制了一臺用于微動機(jī)械領(lǐng)域的機(jī)器人誤差補(bǔ)償器。由此掀起了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究熱潮，很多研究成果也在這一時期涌現(xiàn)出來，包括1993 年的六自由度微操作機(jī)器人【8】，其驅(qū)動方式是壓電陶瓷驅(qū)動，也是模仿Stewart 平臺實(shí)現(xiàn)了六個自由度的運(yùn)動。這一成果將并聯(lián)機(jī)構(gòu)所能應(yīng)用的工程領(lǐng)域極大的提高，所以才有了1997 年我國首臺大型鏜床類并聯(lián)樣機(jī) VAMIT1Y【9】（如圖1-1所示）的研制成功，該機(jī)床是由清華大學(xué)和天津大學(xué)合作研制的。各大高校越來越多的研究學(xué)者開始將并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為其課題。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在1998年提出一種新型的并聯(lián)運(yùn)動機(jī)床,該機(jī)床當(dāng)時的使用的目的是用于汽輪機(jī)葉片的加工（如圖1-2所示），并逐漸得到了廣泛的推廣。次年,天津大學(xué)成功研制出一種三坐標(biāo)并聯(lián)機(jī)床樣機(jī)LINAPOD(如圖1-3所示)，并在天津第一機(jī)床總廠得到了應(yīng)用。并聯(lián)機(jī)床的研究當(dāng)時達(dá)到極其鼎盛的狀態(tài)，東北大學(xué)研制的五軸聯(lián)動的三桿并聯(lián)機(jī)床DSX5-70(如圖1-4所示)，其功能實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜。2001 年，清華大學(xué)與昆明機(jī)床有限公司聯(lián)合研制出了并聯(lián)機(jī)床 XNZ63，其主要功能實(shí)現(xiàn)依靠 Stewart 并聯(lián)平臺結(jié)構(gòu)，因此可以實(shí)現(xiàn)六自由度的聯(lián)動。除了在并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展以外，在其他應(yīng)用領(lǐng)域，并聯(lián)機(jī)構(gòu)也占有一席之地。典型的如力傳感器的設(shè)計，以熊有倫， 陳濱， 金振林、 王洪瑞和高峰等人最有代表性，他們研究的六維力（或力矩）傳感器【10】，改變了傳統(tǒng)傳感器的局限性。 圖1-2 圖1-1 圖1-4 圖1-3 1.3少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究概況 在并聯(lián)機(jī)器人家族中自由度少(在二到五之間)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)很早以前就引起國內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注,究其原因還是在于其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，即構(gòu)型簡單、工作空間大這也使它在運(yùn)動學(xué)分析時運(yùn)動解耦容易、在進(jìn)行機(jī)械加工制造時更容易滿足控制精度的要求，所以它的應(yīng)用也會越來越廣泛，成為機(jī)構(gòu)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。 即使少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究起步并沒有晚于六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，但是其研究的發(fā)展要落后很多，其原因無非是少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)要更為復(fù)雜，控制也更為多變。目前，國內(nèi)外的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究大多是基于DELTA機(jī)構(gòu)的【11】，包括其演化機(jī)構(gòu)，都有很多的應(yīng)用。例如在1983年，Hunt提出三自由度的3-RPS空間并聯(lián)機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)包括上平臺、下平臺，還有三條支鏈構(gòu)成,如圖1-5所示。DELTA機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)三位移動,其結(jié)構(gòu)是由17支桿和21個運(yùn)動副組成,其中還包含12個球面副,機(jī)構(gòu)十分復(fù)雜,如圖1-6所示。從這幾年少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展可以看出，已經(jīng)有愈來愈多的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型已被提出，以便根據(jù)不同的應(yīng)用場合選擇不同性能的機(jī)構(gòu)。 自上個世紀(jì) 80 年代以來，少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)逐漸開始被更多的研究學(xué)者所注意到，國外從事機(jī)構(gòu)學(xué)研究的學(xué)者首先提出了一些并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型，并且逐漸投入到工程實(shí)踐中，我國的研究學(xué)者看到了少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)在許多領(lǐng)域的巨大前景，也開始投入到這個行列中，最早開始這方面工作的是我國高等院校的一些從事該專業(yè)的學(xué)術(shù)研究者，其中以哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、東北大學(xué)、燕山大學(xué)等高校以及科研院所為代表。隨后，一大批并聯(lián)機(jī)構(gòu)的新構(gòu)型被研究學(xué)者提出，。因此也發(fā)現(xiàn)了少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)可以應(yīng)用到更多的領(lǐng)域，包括各種運(yùn)載工具、 數(shù)控并聯(lián)機(jī)床、減振裝置、力傳感器、微操作機(jī)器人、仿生機(jī)器人，醫(yī)療器械等方面。目前，雖然已經(jīng)有了很多的研究成果被用于生產(chǎn)和實(shí)踐中，但少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究開發(fā)和應(yīng)用正日益廣泛和深入，按照現(xiàn)在的發(fā)展趨勢，在不久的將來一定會取得更大的成果和突破。三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)是目前少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究熱門課題之一。2R1T型并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一種三自由度的空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)主要是由執(zhí)行件被約束自由度，達(dá)到預(yù)期的工作狀態(tài)，三個原動件去約束執(zhí)行件，從而產(chǎn)生沒被約束的自由實(shí)際被約束掉一部分，已達(dá)到所需求的工作范圍。如果直接添加約束，這樣會直接加大機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，從而使機(jī)構(gòu)對稱性破壞。其實(shí)對這種三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)在于其工作空間，工作空間的研究又需要知道這三個自由度位置的動坐標(biāo)，有了這些便可以求解出它的工作空間。然后動坐標(biāo)的求解又需要坐標(biāo)系。上述這些都屬于運(yùn)動學(xué)分析，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析的意義是這種機(jī)構(gòu)應(yīng)用的基礎(chǔ)。 圖1-6 圖1-5 1.4少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展前景 從近幾年少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展來看【12】，很多領(lǐng)域如海、陸、空等運(yùn)載工具，機(jī)械加工工程，機(jī)器人，生物工程，醫(yī)療機(jī)械方面都得到了很大程度上的應(yīng)用。這也證實(shí)了在少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)上，確實(shí)有很不錯的發(fā)展前景。具體到某一些領(lǐng)域，少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)已經(jīng)逐漸趨于成熟。例如在航空航天領(lǐng)域里，正如本課題所研究的4-RPUR并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動平臺被用于飛行模擬器的運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三個轉(zhuǎn)動和一個移動的自由度；在娛樂服務(wù)行業(yè)，常被廣泛應(yīng)用模擬3D駕駛臺中；在工業(yè)中，已經(jīng)有很多用于機(jī)加的數(shù)控加工并聯(lián)機(jī)床；在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域里，也有極為廣泛的應(yīng)用，微操作機(jī)器人就是一個例子，使用這種微型機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞的注射與分割，也解決了一個醫(yī)學(xué)難題。；在工程測試領(lǐng)域里，最具代表性的應(yīng)用就是六維的力傳感器，突破了傳感器的傳統(tǒng)界限，提高了使用精度和靈敏度?？傊?，并聯(lián)機(jī)構(gòu)已越來越受到研究學(xué)者們的青睞，在很多意想不到的場合都有了廣闊的應(yīng)用前景，現(xiàn)在已經(jīng)有眾多學(xué)者對并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究的已經(jīng)有了很大程度的深入，并且在眾多領(lǐng)域取得了不錯的應(yīng)用。 就現(xiàn)在的發(fā)展趨勢，少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)將會在更多的領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用。  第2章 基礎(chǔ)知識介紹 2.1坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)一姿勢矩陣的歐拉角表示法 本課題所研究的對象是3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)，它能實(shí)現(xiàn)三個自由度的運(yùn)動，兩個旋轉(zhuǎn)的自由度和一個移動自由度的機(jī)構(gòu),在本課題研究的運(yùn)動學(xué)分析主要是機(jī)構(gòu)的位置反解算法,因此對于姿勢矩陣的歐拉角表示法的研究是并聯(lián)機(jī)構(gòu)理論分析的前提,故在此進(jìn)行簡要的介紹【13】。 2.1.1用繞流動坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)角為參數(shù)的表示法 在并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析中,姿勢矩陣是由9個元素的方向余弦表示的矩陣,而參考并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)學(xué)研究，當(dāng)3個參數(shù)不在同一行或同一列時，該余弦矩陣則是獨(dú)立的,所以，現(xiàn)在我們只需要用3個參數(shù)就能將這個姿勢矩陣表示的很清楚。簡單的說,我們只需要3個獨(dú)立的變量就可以將一個姿勢矩陣表達(dá)清楚,為了方便描述，在本課題中我們將這3個獨(dú)立變量取作繞3個軸即X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)角。 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的原理即圖2-1所示的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)示意圖中,可以看出，確定物體姿勢的標(biāo)架Sj是由與參考坐標(biāo)系(基礎(chǔ)坐標(biāo)系)Si重合的某一坐標(biāo)系經(jīng)過三次旋轉(zhuǎn)變換得到的,即：首先繞Zi軸右旋Φ角,得到標(biāo)架S1；再以S1的X1軸為軸，右旋θ角得到S2；最后以Z2為軸，右旋Φ角得到Sj 。這三次的旋轉(zhuǎn)變換可以用以下矩陣來表示： 通過上述這三次連續(xù)變換后會得到一個全新的姿勢矩陣，不妨將其記作如下: 其中φ、θ、? 統(tǒng)稱為歐拉角,則其坐標(biāo)變換可以用下列矩陣表示： Rjiφ,θ,?=cφ-sφ0sφcφ00011000cθ-sθ0sθcθc?-s?0s?c?0001=cφc?-sφcθs?-cφs?-sφcθs?sφsθsφc?+cφcθs?-sφs?+cφcθc?-cφsθsθs?sθc?cθ 2.1.2用基礎(chǔ)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)角為參數(shù)的表示法 上節(jié)中進(jìn)行三次旋轉(zhuǎn)變換的三個歐拉角（φ,θ,?）是繞分別屬于三個不同坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸的右旋角,也稱它為動軸歐拉角,除此之外，如果我們用同屬于基礎(chǔ)坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸的右旋角作為確定坐標(biāo)系Sj方位(物體姿勢)的“歐拉角”,則稱之為“定軸歐拉角”,如圖2-2所示(在此省略了中間過渡的坐標(biāo)系)。其物理模型可看作是圖2-3所示的飛行中的飛行器,其前進(jìn)方向?yàn)閦軸,正上方方向?yàn)閤軸,側(cè)向方向?yàn)閥軸,一般情況下按右手系取正方向，則根據(jù)繞基礎(chǔ)坐標(biāo)軸變換矩陣需要左乘的規(guī)則,得到下列變換陣： 圖2-2 繞定軸三次旋轉(zhuǎn)變換 圖2-3 定軸歐拉角模型 Rji=RotZi,φRotyi,θRot(xi,?)=cφ-sφ0sφcφ0001cθ0sθ010-sθ0cθ1000c?-s?0s?c?=cφcθcφsθs?-sφc?cφsθc?+sφs?sφcθsφsθs?+cφc?sφsθc?-cφs?-sθcθs?cθc? 2.2并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析 正向運(yùn)動學(xué)分析和逆向運(yùn)動學(xué)分析是運(yùn)動學(xué)分析的兩個方面。對于3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其逆向運(yùn)動學(xué)分析主要是根據(jù)給定的動平臺的輸出參數(shù)（一般為位置、速度、加速度）求得該機(jī)構(gòu)各個驅(qū)動元件的輸入?yún)?shù)（同輸出參數(shù)）；相反地其正向運(yùn)動學(xué)分析主要是根據(jù)給定驅(qū)動元件的輸入?yún)?shù)求動平臺的輸出參數(shù)。對于一般的并聯(lián)機(jī)構(gòu)而言，逆向運(yùn)動學(xué)分析相對正向運(yùn)動學(xué)分析會相對容易點(diǎn)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析的關(guān)鍵是建立并求解高維非線性方程組，其主流的分析方法主要是解析法和數(shù)值法。隨著計算機(jī)的高速發(fā)展，現(xiàn)在又出現(xiàn)了一些運(yùn)動學(xué)分析的新方法，本課題不再做詳述，就其主流的解析法和數(shù)值法做一下簡要的介紹。 解析法進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析的原理是通過消去機(jī)構(gòu)高維約束方程組中的未知數(shù)，使方程降維并最終得到僅含一個未知數(shù)的高次方程。該方法相比其他運(yùn)動學(xué)分析方法的主要優(yōu)點(diǎn)是求解速度快，不需要初值，更重要的是可以求出該機(jī)構(gòu)的所有數(shù)學(xué)解。但是該方法的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程比較復(fù)雜，且需要強(qiáng)大的數(shù)學(xué)功底和一定的數(shù)學(xué)變換技巧。由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有很強(qiáng)的耦合性，因此在進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析的過程中，我們首先要仔細(xì)研究機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征，同時在進(jìn)行數(shù)學(xué)建模時要考慮到結(jié)構(gòu)約束方程的特點(diǎn)以便于消元。解析法應(yīng)用到運(yùn)動學(xué)分析中沒有普遍適用性，因此對于不同的并聯(lián)機(jī)構(gòu)來進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析將會是一個繁雜的過程。除此之外，不同構(gòu)型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析有不同的解法，因而不能像串聯(lián)機(jī)構(gòu)解析法求解那樣，形成程序化的通用解法，故而影響了該方法在運(yùn)動學(xué)分析中的使用。 數(shù)值法進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析的原理是通過搜索降維法來降低機(jī)構(gòu)約束方程組的維數(shù)，從而達(dá)到簡化方程組的目的，便于求解。應(yīng)用數(shù)值法進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析的一般過程為：首先給定機(jī)構(gòu)的初始值，從初始值按照編寫的程序開始循環(huán)、迭代，直到逐漸接近給定的輸入值，當(dāng)其接近程度滿足給定的精度要求時停止。相比解析法，數(shù)值法的優(yōu)點(diǎn)在于該方法可以應(yīng)用到任何構(gòu)型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并且一般建立的數(shù)學(xué)模型較為簡單，其推導(dǎo)過程也不復(fù)雜，利用matlab編程可以極大的提高計算速度。但數(shù)值法的主要缺點(diǎn)在于它的計算結(jié)果很大程度上依賴于給定的初始值，并且一般情況下得不到全部的解。因此，利用數(shù)值法進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析求解的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于如何給方程組降維，如何獲取到有效的初始值以及如何獲得較快的運(yùn)算速度等。  2.3運(yùn)動平臺的自由度分析 在機(jī)械原理課程的學(xué)習(xí)中我們就知道了機(jī)器都是由機(jī)構(gòu)組成的，自由度即機(jī)構(gòu)有確定運(yùn)動時所給定的運(yùn)動參數(shù)的個數(shù)，因此在進(jìn)行機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計之前，我們首先需要確定的是機(jī)構(gòu)的自由度，只有這樣機(jī)構(gòu)才有確定的運(yùn)動，才能對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析。因此正確分析機(jī)構(gòu)的自由度是機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計和運(yùn)動學(xué)分析的基礎(chǔ)和前提?？臻g機(jī)構(gòu)的自由度計算不同于平面機(jī)構(gòu)，空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)更有著本質(zhì)的不同，在本課題我們是應(yīng)用空間機(jī)構(gòu)的螺旋約束理論對并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度進(jìn)行分析。 2.3.1剛體的自由度理論 對于剛體，由于不再是一個質(zhì)點(diǎn)，空間問題中在質(zhì)心位置不變的情形下可能處于不同的狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為姿態(tài)，這種姿態(tài)也需要用三個坐標(biāo)來表示。對于剛體需要確定其姿態(tài)及位置，在三維中姿態(tài)坐標(biāo)與位置坐標(biāo)各三個，一共六個坐標(biāo)，也就是說空間剛體問題是有六個自由度。位置坐標(biāo)可以是剛體上任意一點(diǎn)的三個空間坐標(biāo)，用來描述剛體的平動；姿態(tài)坐標(biāo)用于描述轉(zhuǎn)動。剛體的六個自由度如圖2-4 所示，即： 圖2-4 剛體的六個自由度 第3章 并聯(lián)機(jī)構(gòu)3-RPS的基礎(chǔ)分析 3.1引言 本課題主要研究的是應(yīng)用于飛行模擬器的三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，在本章詳細(xì)提出了一種能實(shí)現(xiàn)空間二維轉(zhuǎn)動和一個移動的運(yùn)動平臺的并聯(lián)機(jī)構(gòu)模型---空間3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)，具體介紹了該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)動學(xué)分析。詳細(xì)介紹了螺旋理論在機(jī)構(gòu)學(xué)原理中的應(yīng)用，使其實(shí)現(xiàn)了空間的二維轉(zhuǎn)動和一維移動,接下來的工作是參考螺旋約束定理計算機(jī)構(gòu)的自由度,證實(shí)該機(jī)構(gòu)的輸入是否合理，最后給出了其位置反解的算法,并利用matlab進(jìn)行了數(shù)值驗(yàn)證，以便solidedge畫圖時的準(zhǔn)確性，避免裝配精度達(dá)不到要求。 3.2 3-RPS的結(jié)構(gòu)與約束特征 大多2R1T型并聯(lián)機(jī)構(gòu)都是空間機(jī)構(gòu)，并且是閉環(huán)機(jī)構(gòu)。它一般是由兩個平臺與運(yùn)動支鏈組而成，看似簡單的機(jī)構(gòu)實(shí)際是一個復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)。動平臺通過運(yùn)動支鏈與機(jī)架連接而成，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的分析有很多，按結(jié)構(gòu)特征分類：自由度數(shù)、驅(qū)動方式、連接形式等。 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的有平面、空間、球面等分類，其必備要素是： （1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須有運(yùn)動自由度； （2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過運(yùn)動支鏈連接機(jī)架； （3）運(yùn)動支鏈有唯一的運(yùn)動副（或轉(zhuǎn)動副） 結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，制造成本低，這些可以實(shí)現(xiàn)在設(shè)計過程中的基本要求。一般都會滿足下慢的設(shè)計要求: （1）每條運(yùn)動支鏈的自由度相等； （2）運(yùn)動支鏈下端的驅(qū)動器數(shù)相同； （3）驅(qū)動器安裝位置相同。 這幾點(diǎn)也充分的說明了機(jī)構(gòu)的對稱性的重要。 并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計最重要的就是尺度綜合，因?yàn)槠淇梢缘玫阶顑?yōu)的尺寸參數(shù)，使其能夠滿足所需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，并且實(shí)現(xiàn)其可行性。本文主要對如圖所示2R1T型并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺度參數(shù)的研究，如圖3-1，此機(jī)構(gòu)由圖看見共為三大部分，固定底座A1A2A3、工作平臺P1P2P3與相對應(yīng)連接的運(yùn)動支鏈構(gòu)成，運(yùn)動支鏈的兩端分別使用轉(zhuǎn)動副與球副，這兩個運(yùn)動副都是機(jī)構(gòu)的驅(qū)動副。P為工作平臺三角形的外接圓圓心，A為固定底座的外接圓圓心，為了方便對模型運(yùn)動的分析，需要建立參考系，由于機(jī)構(gòu)的空間復(fù)雜性，一個參考系的建立不足以后邊的求解，所以圍繞著兩個平面建立參考系，分別為A-uvw-和B-xyz，其中固定底座平面的坐標(biāo)依據(jù)右手定則為定坐標(biāo)，而另一個為動坐標(biāo)。如圖所示，兩個平面三角形是等邊三角形。 3.3.1自由度計算 該機(jī)構(gòu)上平臺受到四個約束反力的作用,但上平臺只有兩個獨(dú)立沿X、Y軸的移動被約束，因此該機(jī)構(gòu)必存在兩個虛約束。在圖3一1所示的機(jī)構(gòu)中,我們知道機(jī)構(gòu)中不會存在與所有運(yùn)動副都相逆的公共反螺旋, 因此該機(jī)構(gòu)也沒有公共約束,即λ=0 參考K一G公式【13】來計算該機(jī)構(gòu)的自由度： M=dn-g-1+i=1gfi+? 在計算4一RPUR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度過程中，上述公式其具體含義如下： M一機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目 d一機(jī)構(gòu)的階數(shù),且d=6-λ λ一機(jī)構(gòu)的公共約束數(shù) n一機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù) g一運(yùn)動副數(shù) fi 一第i個運(yùn)動副的相對自由度數(shù)目 ?一K-G公式的修正項 應(yīng)用螺旋理論我們已經(jīng)判別出4一RPUR并聯(lián)機(jī)構(gòu)存在兩個虛約束 ,因此在應(yīng)用K一G公式計算機(jī)構(gòu)的自由度時應(yīng)考慮到公式的修正項。通過我們的觀察不難看出,該機(jī)構(gòu)中無局部自由度,所以?=0。在圖3-2所示的機(jī)構(gòu)中，不難得出，機(jī)構(gòu)構(gòu)件數(shù)n為8，運(yùn)動副數(shù)g為9，而且所有的轉(zhuǎn)動副、移動副都為單自由度，所以i=1gfi=15 最后帶入公式，得到該機(jī)構(gòu)的自由度計算公式如下： M=6x(8-9-l)+15+0=3 即該機(jī)構(gòu)有3個自由度。   第4章 總結(jié)與展望 針對本課題研究的飛行模擬器的運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)，即少自由度并聯(lián)運(yùn)動平臺的研究不斷深入和廣泛，該機(jī)構(gòu)的實(shí)際用途和現(xiàn)實(shí)意義也逐漸被開發(fā)，但是從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度出發(fā)，會有越來越多的新型機(jī)構(gòu)得到開發(fā)，如果這些機(jī)構(gòu)要得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用，就必須進(jìn)行一系列的基礎(chǔ)研究，本文針對這一問題，進(jìn)行了一些方面的研究，得到了一些初步的結(jié)論： (1) 仔細(xì)研究了空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)的螺旋理論，并應(yīng)用到本課題中，分析了4-RPUR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)動學(xué)特征，以及對機(jī)構(gòu)輸入的合理性進(jìn)行了判斷。 (2) 根據(jù)螺旋約束理論，結(jié)合到本課題提出的機(jī)構(gòu)，簡要的介紹了位置反解的推導(dǎo)過程，并推導(dǎo)出了位置反解算法。 (3) 在推導(dǎo)位置反解算法的過程中，用到了matlab工具，能更準(zhǔn)確、更快速的對于建立的約束方程進(jìn)行計算。 (4) 對本課題研究的4-RPUR并聯(lián)機(jī)構(gòu)，我們運(yùn)用solidedge三維繪圖軟件，利用第三章給出的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行繪圖，并完成裝配。 但是，本文對4-RPUR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究還很基礎(chǔ)，受限于時間的原因，該機(jī)構(gòu)還有許多問題沒有得到進(jìn)一步深入的研究和探討，如該機(jī)構(gòu)的工作空間分析，位置正解、速度、加速度分析，機(jī)構(gòu)奇異性分析等等，都需要通過以后不斷地學(xué)習(xí)來將其完善。 雖然，本文對四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究只是一個起步，但是，隨著少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用越來越多，更多的研究學(xué)者會投入到這一行列中，將該機(jī)構(gòu)的理論研究不斷完善和充實(shí)。我們也需要不斷地接受新的知識，并更好的應(yīng)用到工程實(shí)踐中去。 參考文獻(xiàn) 【1】吳重光.仿真技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000:1-5. 【2】劉興堂,萬少松,張雙選.論軍用模擬訓(xùn)練器系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2001(4): 19-21. . 【3】D.Stewart.A PlatformWith Six Degrees of Freedom. Institution of Meehanieal Engine一ering,1965,180(l):371一386 【4】E.F.Fichter. A Stewart Platform-Based Manipulator：General Theory and Practical Construction Int. J.of Rob. Res., 1986, 5(2): 157-182. 【5】 J.C.Hudgens, D.Tesar. Fully-parallel Six Degree of Freedom Micro-manipulator Kinematic Analysis and Dynamic Model [C]. The 20th Bie ASME Mechanisms Conference on Trends and Development in Mechanisms Machines and Robotics, Kissimmee, FL, USA, 1988,15(3): 29-37. 【6】 D.R.Kerr. Analysis Properties and Design of a Stewart-Platform Transducer Journal of Mechanism [J]. Transmissions and Automation in Design, 1989, (111): 25-28. 【7】 C.C.Nguyen, etal.Analysis and Experimentation of a Stewart Platform-Based Force/Torque Senor [J]. International Journal of Robotics and Automation, 1993, 7(3): 133-140. 【8】 安輝. 壓電陶瓷驅(qū)動六自由度并聯(lián)微動機(jī)器人的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文. 1995:63-76. 【9】 汪勁松. VAMITY 虛擬軸機(jī)床[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床. 1998, 32(2):42-43. 【10】高峰, 金振林, 劉辛軍.六自由度虛擬軸機(jī)床. 中國發(fā)明專利, 公開號: CN1261018A. 【11】R.Clavel.DELTA,a fast robot with Parallel geometry,Proe.of the Int.Symp.onIndus-Trial Robot,SwitZerland,1988,9]一100 【12】陳文家,王洪光,房立金,等.并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀與展望.機(jī)電工程,2001,18(4):5一8 【13】黃真,孔令富,方躍法.并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制.北京:機(jī)械卜業(yè)出版社,1997:65一88 【14】李秦川.對稱少自由度并聯(lián)機(jī)器人型綜合理論及新機(jī)型綜合.燕山大學(xué)一I:學(xué)博士學(xué)位論文].2003:25一59 【15】郭希娟.并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)動力學(xué)基礎(chǔ)理論研究.!燕山大學(xué)博十論文].2002:1一77 【16】黃真.并聯(lián)機(jī)器人及其機(jī)構(gòu)學(xué)理論.燕山大學(xué)學(xué)報,1998,22(:1)13一17 【17】趙鐵石.空間少自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)分析與綜合的理論研究.燕山大學(xué)工學(xué)博 士學(xué)位論文J.Z000:46一56 致 謝 時間飛逝，畢業(yè)設(shè)計階段即將結(jié)束，大學(xué)四年學(xué)習(xí)階段也即將結(jié)束。但是這并不會是我們?nèi)松?dāng)中學(xué)習(xí)的終點(diǎn)，也正是通過本次畢業(yè)設(shè)計讓我體會到學(xué)習(xí)和學(xué)以致用的樂趣。在此，非常感謝這四年來對我無私幫助的老師、同學(xué)、親人和朋友們，如果沒有你們的關(guān)心和支持，我也不能全身心的投入到學(xué)習(xí)和學(xué)生工作之中，從而順利畢業(yè)。在此，對你們表示誠摯地感謝！ 對于本次畢業(yè)設(shè)計，非常感謝高峰老師對我的教導(dǎo)，包容和督促。正是因?yàn)槿绱耍拍苁刮翼樌赝瓿僧厴I(yè)設(shè)計和畢業(yè)論文，在此我要向高老師致以最崇高的敬意和衷心的感謝! 高老師從畢業(yè)設(shè)計開始的論文選題、論文方向、文獻(xiàn)參考等眾多方面都給予了我巨大的幫助和指導(dǎo)，特別是在以前沒有接觸過的運(yùn)動學(xué)分析方面也給了我很大的幫助。在高老師的無私幫助下，我不僅僅學(xué)到了畢業(yè)設(shè)計的相關(guān)知識，更是學(xué)會了面對知識的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，更學(xué)會很多做人的道理。再次感謝高老師的幫助。 感謝我的父母，他們的關(guān)愛與支持是我克服困難的勇氣：感謝我的同學(xué)、朋友們，他們對我也有著極大的幫助。 最后，感謝百忙之中評閱論文和參加答辯的各位老師。謝謝！