一种Stewart平台的动力学分析开题报告

全文总字数：3970字

1. 研究目的与意义

并联机器人是由上下两个平台（即动平台和静平台），中间由两个或两个以上支链组成的运动机构，其因各个支链的关节之间的误差不会累计，具有运动精度高，误差较小，刚度较大等优点。正因其有上述优点，并联机构比串联机构拥有更加广泛的应用。

对于本文的研究重点面向汽车驾驶虚拟现实仿真的六自由度并联机构，其在运动学与动力学的求解方面涉及到许多变量，为了求解的方便，许多研究课题都进行了适当的忽略与假设。而当研究的精度达到一定程度时，许多参数对实验的影响是不可忽略的，本文针对支链质量与惯量参数、动平台质量与惯量参数，研究支链关节力和驱动力随动平台加速度的变化情况。观察上述参数对动平台速度、加速度的影响情况，并尝试总结相应规律，即支链的质量与惯量参数、动平台的质量与惯量参数对支链关节力和驱动力以及动平台的加速度影响的变化规律，以及其在何种条件下可以忽略，尝试总结出相应的函数关系，为以后相关的研究，并联机构的尺寸优化和部件选型提供相关的依据和参考。

2. 国内外研究现状分析

并联机器人是由上、下两个平台（即运动平台和固定平台）通过两个或两个以上的独立 支链相连的闭环机构，整个并联机构有两个或两个以上自由度（最多有六个自由度，包含三个平动和三个转动），且通过并联的方式对整个机构的每个自由度进行定向驱动。与串联机 构相比，并联机构的上、下平台以相互独立的构件支撑，因此整个机构相对稳定、刚度较大；由于机架与末端的执行器之间是环状闭链约束，使得并联机构在与串联机构的重量或体积相 同的情况下，具有更大的承载能力；又因其不存在各关节的误差累积和放大效应，并联机构的误差相对较小、精度相对较高；并联机构的驱动部分易安装于机架上， 而是不像串联机 构中安装在大小臂上，因此减轻了机构的运动负荷，具有较好的动力性；同时，在运动学求解上，并联机构更容易求得机构的位置逆解，对于机器人系统来说，整个系统具有更好的在 线实时性[1] 。并联机构的上述特点，决定了并联机构与串联机构在性能上相互补充，同时并联机构在某些特殊的应用领域中的性能明显优于串联机构。 正因其有上述优点，并联机器人获得了快速的发展。但随着科技的进步，人们对并联机 器人运动的控制、运动精度的要求都达到了一个全新的高度，因此，对并联机器人的模拟仿真与分析也成为了广大科研工作者的一大目标。而在当今，随着计算机技术的进步，通过计 算机程序对机器人工作状态以及受力情况的模拟分析变的更加简单。计算机主流的分析软件大致分为两类：

（1）采用 matlab 软件的 simulink 模块对机器人的各种运动情况进行分析。宁淑荣等 运用 matlab 的绘图功能画出了平面并联 3rrr 机构的三维实体仿真图，并计算出其运动的 仿真算法。该运动仿真形象具体，更容易求解，而且可以直观地显现出机构奇异点的位置，并通过所仿真的工作平台的运动速度和加速度曲线计算所需的驱动力。这样，力反馈装置就 可以产生出作用在操作者手指尖上的大小不一的指尖拉力，操作者就能感觉到机构与作用物体间产生的接触力[2]。鲁墨武等在 matlab 环境下建立了通用的机器人三维模型，同时也开发出了相应的机器人动力学仿真平台。在求解机器人逆动力学解时，考虑摩擦力和不考虑 摩擦力两种情况下所得到的关节驱动力矩和机器人关节位置解是不同的，即当考虑摩擦力时所需要的关节驱动力矩要明显大于不考虑摩擦力时的关节驱动力矩，考虑摩擦力时机器人关 节位移要小于不考虑摩擦力时的关节位移，这与实际情况相符。同时，这也说明了考虑摩擦力时机器人动力学方程的正确性[3] 。罗家佳等设计了柱面坐标机器人的各连杆参数，详细 讨论了正、逆运动学算法以及轨迹规划的问题。最后在 matlab 环境下，运用 robotics toolbox 模块编写简单的程序语句，从而快速地完成了运动学仿真。在仿真过程中，以图形的方式观察到了机器人的运动情况，还得到了所需的数据[4]。葛建兵等使用guide 模块对 六自由度机器人的正逆运动学进行了讨论，程序编写更为简单，操作也相对方便[5] 。江乐果等综合了分析力学和向量力学两方面的优点，利用凯恩法对机构的运动学进行了分析，利 用刚体和关节相互连接的方法建立了机器人的模型，并在关键部位增加适当的驱动模块和传感模块，简单有效的进行了仿真运算[6] 。姚莉君等应用拓补学对机构的自由度和铰链形式 进行了分析，并利用拉格朗日法对机构建立了闭环运动方程，最后将 matlab 与 dspace 连接 进行了半实物实时仿真，从而验证了结论的正确性[7]。qin tao 等利用 pbws系统使得机器 人产生了类似人的步态运动，且利用 pid 控制消除了惯性力的影响[8] 。wang hong-ru 等利 用 adams 和 matlab 的联合仿真大大简化了设计过程，降低了生产成本[9] 。

（2）采用 adams 软件对机器人的各种运动情况进行分析。如今的机器人仿真研究主要集中在模型建立，运动学与动力学的分析以及优化设计等几方面。原来的方法是通过编程语 言，如 c 、vb 等，但这些方法需要较高的专业能力，通用性不强，实时交互能力差。且当 一些参数发生变化时，整个程序的改变很大，不利于实验实时的变化。adams 软件克服了以 上缺点，通过模型的建立使得整个机构可以详细的展现出来，同时也支持参数的实时改变。 使得整个模拟过程简单方便，极大的提高了工作效率，推动了机器人仿真实验的极大进步。中北大学的高晓雪等使用凯恩法对 3-ppr 平面并联机构进行了动力学分析，在考虑摩擦 力的情况下建立了动力学的凯恩方程。通过模拟仿真发现，转动副间的摩擦对机构的影响不大，而移动副间的摩擦影响较大，且功率消耗也明显增大，为以后并联机构的分析提供了参 考的依据[1] 。白丽平等采用无路径的搜索方法，求得机器人关节的力矩极限值，极大的提高了设计的精度，为机器人的开发应用提供了一种新的方法[10] 。方琛玮等在考虑重力的情况 下对六自由度机器人进行了动力学仿真，并进行了轨迹跟踪仿真测试和实验，获得了许多有价值的实验数据[11] 。王建平等探究了并联机构的参数 q(上平台参数用正三角外接圆半径 r 表示,下平台参数用内切圆半径 r 表示;平台尺寸比率 q= r/ r)对整个机构运动的影响，当 q 接近 1 时，机构运转平稳，且强度较高；若适当减小 q，机构可以获得较大的工作范围[12] 。 李彬等利用 adams 软件对 3-rrr 并联机构的驱动转角的最小值进行了进一步的优化，对以后并联机构的尺寸优化做了有益的尝试[13] 。赵光霞等利用 adams 将运动学、动力学、静力学分析等方面有机地结合起来，极大的提高了工作效率[14] 。sun tao 等人探讨了三自由度并联机械臂的三维合成方法，并对运动平台关节的旋转角度等关键参数进行了分析优化，对较 大元件的制造提供了帮助[15] 。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：

1.并联机构的构成与原理

2.六自由度并联机构的运动学分析。

4. 研究创新点

将并联机构支链的质量与惯量参数、动平台的质量与惯量参数作为研究重点，探索支链关节力和驱动力以及动平台的加速度影响的变化规律。