文档介绍：第 4 章少自由度并联机构约束特性和约束螺旋综合法
第 4 章少自由度并联机构约束特性和约束螺旋综合法
引言
少自由度并联机构的型综合严格说来属于概念设计的范畴概念设计是工程设
计的初始阶段同时也是最体现创造力的阶段概念设计的优劣直接决定产品性能
的好坏概念设计的定义[108-110]为在确定任务之后通过抽象化拟定功能结构
寻求适当的作用原理及其组合确定出基本求解途径得出求解方案并联机构型
综合则可定义为是指在给定机构期望自由度数和性质的条件下寻求机构的具体结
构包括运动副在空间的布置和所有分支运动链的布置运动副的数目分支的数
目等
动平台自由度的减少是因为受到了结构约束因此获得少自由度并联机构有两
种途径一种是添加外部约束即给六自由度并联机构添加一个少自由度的约束支
链整个机构的自由度由这个约束支链决定另一种是利用分支的几何约束即所
有分支都对动平台施加一定的约束整个机构的自由度由这些分支约束在一定几何
条件下的合成作用决定
通过第一种途径得到的少自由度并联机构称为外部约束型机构外部约束型机
构的型综合比较容易只需综合出少自由度的约束支链即可 Gosselin[66]指出外
部约束型机构结构更为复杂约束支链必须承受所有载荷由此可能导致机构设计
和制造成本上升而且这样的构成必为非对称并联机构
通过第二种途径得到的少自由度并联机构称为几何约束型机构一般对称少自
由度并联机构均属此类这类机构和外部约束型机构相比结构简单成本较低
但综合的难度很大国内外的学者提出过一些型综合的原理和方法也综合出一批
机构但全面有效普遍适用的综合理论和方法国际上并没有形成集中表现在
长期综合不出四五自由度对称并联机构
本章内容和前面两章形成了全面适用的对称少自由度并联机构约束螺旋综合理
论体系首先应用约束螺旋在分支和机构两个层次上描述结构约束然后通过螺旋
在不同几何条件下的线性相关性来获得约束螺旋的合成作用归纳出全部九类少自
由度并联机构的分支约束螺旋系机构约束螺旋系以及相应的几何条件通过对这
些分支约束螺旋系求反螺旋可以得到期望的分支运动螺旋系对分支运动螺旋系
中的运动螺旋进行线性组合则可生成多种不同结构的分支运动链用这些运动链
在相应的几何条件下可以构建出具有期望自由度数目和性质的并联机构这种综合
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燕山大学工学博士学位论文
方法简洁有效适用于全部九类少自由度并联机构
型综合的关键问题
Merlet[83,86]在2002年 ASME年会和首届并联机器人研讨会的特邀报告中分别指
出少自由度并联机构的机型综合是一个非常困难的问题少自由度并联机构型综
合之所以如此困难其根本原因在于空间机构学中一些基本科学问题没有得到很好
的解决例如
对空间少自由度并联机构自由度形成的根本机理没有深入的认识以致缺乏普
遍适用的自由度计算公式这样对综合出的机构难以判定其自由度数目和性质
对少自由度并联机构而言其动平台受到的约束是所有分支结构约束的合成作
用然而空间并联机构不仅其约束数目多又呈各种各样的空间的分布而且还随
机构的运动其位置和方向都在变化用一般的数学工具去描绘和分析它们要经过
多重坐标变换表达式非常的复杂繁琐难以有效处理
分支运动链结构的数学描述以及和物理