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一种含闭环支链的新型并联机构设计与分析

房海蓉 王立 张海强 杨会

房海蓉, 王立, 张海强, 等 . 一种含闭环支链的新型并联机构设计与分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(3): 454-463. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0411
引用本文: 房海蓉, 王立, 张海强, 等 . 一种含闭环支链的新型并联机构设计与分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(3): 454-463. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0411
FANG Hairong, WANG Li, ZHANG Haiqiang, et al. Design and analysis of a novel parallel mechanism with closed-loop limbs[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(3): 454-463. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0411(in Chinese)
Citation: FANG Hairong, WANG Li, ZHANG Haiqiang, et al. Design and analysis of a novel parallel mechanism with closed-loop limbs[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(3): 454-463. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0411(in Chinese)

一种含闭环支链的新型并联机构设计与分析

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0411
基金项目: 

中央高校基本科研业务费专项资金 2018JBZ007

详细信息
    作者简介:

    房海蓉  女, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:并联机器人机构学、数字化制造技术与装备、机电装备系统设计

    王立  男, 硕士研究生。主要研究方向:并联机器人机构学

    张海强  男, 博士研究生。主要研究方向:并联机器人机构学

    杨会  女, 博士研究生。主要研究方向:并联机器人机构学

    通讯作者:

    房海蓉, E-mail:hrfang@bjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TH112

Design and analysis of a novel parallel mechanism with closed-loop limbs

Funds: 

the Fundamental Research Funds for the Central Universities 2018JBZ007

More Information
  • 摘要:

    为满足航天飞行器壳体套装过程中位姿调整机构刚度大、精度高的要求,对传统的支链结构进行有针对性的改进,设计了一种支链为闭环结构的新型5-U(RRP)S/(8U)PU并联机构,并进行了分析研究。应用螺旋理论计算机构的自由度;建立封闭矢量方程,进行运动学正反解;应用螺旋理论求解机构的全雅可比矩阵;利用杆长约束条件绘制机构的定姿态工作空间;通过求解静刚度矩阵分析机构的刚度随位姿的变化情况;利用软件进行仿真,并与一般机构进行对比。通过分析,验证了该机构的可行性和实际应用价值,为实现航天飞行器壳体套装的自动化奠定基础。

     

  • 图 1  主动支链结构设计流程

    Figure 1.  Design flow of active limb structure

    图 2  被动支链结构示意图

    Figure 2.  Schematic of passive limb structure

    图 3  新型5-U(RRP)S/(8U)PU并联机构结构示意图

    Figure 3.  Schematic of a new type of 5-U(RRP)S/(8U)PU parallel mechanism

    图 4  新型5-U(RRP)S/(8U)PU并联机构结构简图

    Figure 4.  Structure diagram of a new type of 5-U(RRP)S/(8U)PU parallel mechanism

    图 5  支链1结构简图

    Figure 5.  Structure diagram of limb 1

    图 6  各运动副的运动螺旋

    Figure 6.  Twist of each kinematic pair

    图 7  8U结构工作空间示意图

    Figure 7.  Schematic diagram of workspace of 8U structure

    图 8  主动支链工作空间

    Figure 8.  Workspace of active limb

    图 9  被动支链工作空间

    Figure 9.  Workspace of passive limb

    图 10  整体机构工作空间

    Figure 10.  Workspace of whole mechanism

    图 11  定位置下刚度随转角的分布

    Figure 11.  Distribution of stiffness with rotation angle under fixed position

    图 12  定姿态下刚度随位移的分布

    Figure 12.  Distribution of stiffness with displacement under fixed posture

    图 13  5-UPS/(8U)PU并联机构结构示意图

    Figure 13.  Schematic of 5-UPS/(8U)PU parallel mechanism

    图 14  驱动副位移量变化曲线

    Figure 14.  Changing curves of driving joints' displacement

    图 15  驱动副受力变化曲线

    Figure 15.  Changing curves of driving joints under force

    表  1  并联机构尺寸参数

    Table  1.   Dimension parameters of parallel mechanism

    参数 数值
    a/mm 200
    b/mm 160
    c/mm 160
    d/mm 100
    r/mm 215
    l1/mm 220
    l2/mm 340
    θ6m/(°) 60
    l6min/mm 100
    l6max/mm 800
    l3, imin/mm 150
    l3, imax/mm 550
    θimin/(°) 15
    θimax/(°) 45
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    表  2  各支链驱动副位移量

    Table  2.   Displacement of driving joint on each limb

    动平台沿z方向的坐标值/mm P1位移量/mm P2/P5位移量/mm P3/P4位移量/mm
    本文 对比 本文 对比 本文 对比
    300 0 0 0 0 0 0
    310 18.03 10.04 18.03 10.01 16.85 9.74
    320 36.07 20.03 36.06 19.96 33.63 19.32
    330 54.15 30.18 54.12 30.11 50.55 29.07
    340 72.26 40.14 72.19 40.08 67.32 38.66
    350 90.48 50.18 90.37 50.06 84.26 48.31
    360 108.65 60.16 108.56 60.11 101.05 58.15
    370 126.88 70.11 126.74 70.09 117.76 67.63
    380 144.81 80.18 144.73 80.12 134.54 77.24
    390 162.93 90.01 162.75 89.95 151.38 96.99
    400 180.11 100.04 179.94 100.00 168.01 96.51
    下载: 导出CSV

    表  3  各支链驱动副电机运行速度

    Table  3.   Motor operation speed of driving joint on each limb

    支链驱动副编号 速度/(mm·s-1)
    P1 -2
    P2 2
    P3 4
    P4 4
    P5 2
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    表  4  各支链驱动副受力

    Table  4.   Force of driving joint on each limb

    电机工作时间/s P1受力/N P2/P5受力/N P3/P4受力/N
    本文 对比 本文 对比 本文 对比
    0 -323.29 -610.14 38.46 72.19 158.15 -291.08
    0.5 -338.51 -673.73 49.51 113.77 159.93 -298.71
    1.0 -354.46 -737.49 61.43 155.43 161.85 -306.40
    1.5 -365.83 -801.16 72.59 197.16 163.71 -314.15
    2.0 -385.18 -864.83 84.16 238.86 165.65 -321.84
    2.5 -400.57 -1928.53 95.54 280.52 167.58 -329.53
    3.0 -416.16 -992.24 107.37 322.24 169.41 -337.27
    3.5 -431.19 -1055.96 118.51 363.93 171.35 -344.91
    4.0 -447.74 -1119.67 130.74 405.66 173.25 -352.62
    4.5 -462.57 -1183.34 141.53 447.31 175.17 -360.30
    5.0 -478.15 -1247.18 153.44 489.25 177.06 -368.43
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-07-09
  • 录用日期:  2018-11-08
  • 刊出日期:  2019-03-20

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