3PUS S(P)变胞并联机构逆动力学分析 .PDFVIP

２０１４年 １１月 农 业 机 械 学 报 第 ４５卷 第 １１期 ｄｏｉ：１０．６０４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１４．１１．０４９ ３ＰＵＳ Ｓ（Ｐ）变胞并联机构逆动力学分析 畅博彦　刘艳茹　金国光 （天津工业大学天津市现代机电装备技术重点实验室，天津 ３００３８７） 摘要：对单变胞支链型３ＰＵＳ Ｓ（Ｐ）球面变胞并联机构进行运动学和动力学分析。该机构由动平台、静平台、３个 ＰＵＳ支链和１个中间Ｓ（Ｐ）变胞支链组成。完全描述该机构动平台的位置和姿态需要６个变量，即动平台上一参考 点的３个位移和动平台的３个转角。构态 １时机构有３个转动自由度，动平台的６个位姿变量中只有 ３个变量是 独立的；构态２时机构有 １个额外的径向移动自由度，６个位姿变量中有４个变量是独立的。首先，推导该机构动 平台的６个位姿参数之间的约束关系，基于矢量代数法，建立机构的运动学逆解模型；其次，运用牛顿 欧拉法建立 该变胞机构的全构态逆动力学方程；最后，基于实物样机的几何参数与物理参数，在给定动平台运动规律和外力 后，通过动力学方程求解得出机构所需驱动力、动平台所受约束力以及变胞过程中的附加作用力，所得仿真结果说 明：３ＰＵＳ Ｓ（Ｐ）球面变胞并联机构在受到外界较大径向作用力时，可以通过激活中间变胞支链的移动副进行缓冲 和能量吸收，从而避免机构受到损伤。 关键词：变胞机构　牛顿 欧拉法　逆动力学　驱动力　约束力 中图分类号：ＴＨ１１２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００１２９８（２０１４）１１０３１７０７ 力学方程［１５－１７］，根据该方程求解得出机构不同构态 　　引言 下的驱动力和动平台所受的约束力。最后，通过计 变胞机构最早出现于 １９９６年的可重构包装自 算实例进行计算机仿真，分析构态变换对机构所需 ［１］ 动化线的机构学研究中 ，并于 １９９８年第 ２５届 驱动力和动平台所受约束力的影响，为机构的优化 ［２］ ＡＳＭＥ机构学与机器人学双年会上被正式提出 。 设计、运动控制及动态性能分析与评价提供理论基 变胞机构的变拓扑特性、变功能特性和变自由度特 础。 性，使其可以根据工况环境和功能要求的变化，在运 １　３ＰＵＳ Ｓ（Ｐ）并联式变胞机构运动学分析 动过程中改变自身结构，以适应不同任务和不同场 ［３］ 合的需求，具有传统机构无法比拟的适应能力 。 １１　机构结构描述和坐标系的建立 近年来，通过将变胞原理与并联机构相融合，研 研究的３ＰＵＳ Ｓ（Ｐ）变胞并联机构结构简图如 究者设计得到一系列具有较好运动特性的变胞并联 图１ａ所示，实物样机如图 １ｂ所示，由静平台、动平 机构［４－１１］。但研究工作大多局限于变胞并联机构 台以及３条结构相同的ＰＵＳ支链和１条Ｓ（Ｐ）变胞 的构态描述、自由度计算和运动学特性分析，对此类 机构的动力学特性未给予应有的重视。由于变胞并 联机构各构态机构自由度数目通常情况下小于 ６， 即为少自由并联机构，此时机构中的支链不仅传递 ［１２］ 驱动力／力矩，还为动平台提供约束力／力矩 。因 此，对变胞机构进行逆动力学研究，可有效分析构态 变换前后机构所需驱动力／力矩和动平台所受约束 力／力矩的变化规律。 本文以３ＰＵＳ Ｓ（Ｐ）球面变胞并联机构为例， 图１　３ＰＵＳ Ｓ（Ｐ）机构示意图与实物图 运用牛顿 欧拉法［１３－１４］建