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        含約束支鏈的冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化

        2021-06-09 10:24:36劉曉飛唐艷華趙永生

        劉曉飛 唐艷華 劉 鑫 李 祺 趙永生

        (1.燕山大學(xué)并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室,秦皇島 066004;2.天津航天機(jī)電設(shè)備研究所天津市宇航智能裝備技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300301)

        0 引言

        相對(duì)于串聯(lián)機(jī)構(gòu),并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有更高的剛度、承載力和精度[1],在工業(yè)領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。由于存在奇異位形導(dǎo)致有效工作空間較小等原因,使傳統(tǒng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用受到限制[2]。冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有可消除奇異位形[3-5]、增大有效工作空間,增加機(jī)構(gòu)的整體剛度與承載力[6],改善動(dòng)力學(xué)特性[7-8]、消除間隙[9]、優(yōu)化驅(qū)動(dòng)力分配[10]等優(yōu)點(diǎn),因而受到越來(lái)越多的關(guān)注。

        實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)冗余驅(qū)動(dòng)主要有兩種方式:①在原有機(jī)構(gòu)上增加冗余驅(qū)動(dòng)支鏈,或者將原有被動(dòng)關(guān)節(jié)替換為主動(dòng)關(guān)節(jié)。②在非冗余全驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)上增加約束支鏈或關(guān)節(jié),以降低原有機(jī)構(gòu)自由度。目前,對(duì)增加冗余驅(qū)動(dòng)支鏈或主動(dòng)關(guān)節(jié)的冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的相關(guān)研究較多[11-20],而對(duì)增加約束支鏈或關(guān)節(jié)的研究較少[21-24]。不同的冗余驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)性能的影響不同,對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析、優(yōu)選出性能良好的構(gòu)型是冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究的核心問(wèn)題之一。

        并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能是其重要特性,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸優(yōu)化方面具有重要作用。對(duì)傳統(tǒng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)而言,評(píng)價(jià)其動(dòng)力學(xué)性能的指標(biāo)主要是條件數(shù)與操作度橢球。對(duì)冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)而言,由于速度雅可比矩陣和廣義慣性矩陣不再為方陣,使條件數(shù)與操作度橢球的評(píng)價(jià)指標(biāo)無(wú)法直接使用。目前,關(guān)于冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的研究還相對(duì)較少,且都是針對(duì)具體的結(jié)構(gòu)構(gòu)型。ZHAO等[8,25]基于矩陣的無(wú)窮范數(shù)計(jì)算冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的單位加速度、速度所需最大驅(qū)動(dòng)力,并作為動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)。BEDOUSTANI等[26]基于操作動(dòng)力學(xué)對(duì)一種彈性繩索驅(qū)動(dòng)的冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。JIANG等[27]通過(guò)計(jì)算位置誤差映射矩陣的條件數(shù),對(duì)平面冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了分析。LIANG等[28]以機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的單位加速度、速度所需最大驅(qū)動(dòng)力為動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo),對(duì)冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。FONTES等[29]以最大輸入力矩作為評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)不同冗余驅(qū)動(dòng)情況下的并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比,獲得主動(dòng)過(guò)約束機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化的條件。

        1 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

        非獨(dú)立位姿參數(shù)γ與獨(dú)立位姿參數(shù)間的速度映射關(guān)系可以表示為

        (1)

        于是可以構(gòu)建廣義坐標(biāo)與獨(dú)立廣義坐標(biāo)間的速度映射關(guān)系,即

        (2)

        其中

        式中E5——單位矩陣,E5∈R5×5

        構(gòu)建廣義坐標(biāo)與獨(dú)立廣義坐標(biāo)間的加速度映射關(guān)系,即

        (3)

        2 動(dòng)力學(xué)建模

        2.1 非冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模

        在笛卡爾坐標(biāo)系下,假定機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的廣義運(yùn)動(dòng)速度(包括線速度與角速度)為υd∈R6×1,連桿AiBi的廣義運(yùn)動(dòng)速度為υLi∈R6×1,滑塊廣義運(yùn)動(dòng)速度為υHi∈R6×1,這些構(gòu)件在廣義坐標(biāo)系q下的速度雅可比矩陣分別為Jd∈R6×6、JLi∈R6×6和JHi∈R6×6,可得

        (4)

        假定機(jī)構(gòu)在廣義坐標(biāo)系下產(chǎn)生無(wú)限小的廣義位移(包括線位移和角位移)為δq∈R6×1,對(duì)應(yīng)的動(dòng)平臺(tái)廣義位移為δqd∈R6×1,連桿AiBi的廣義位移為δqLi∈R6×1,滑塊的廣義位移為δqHi∈R6×1,可得

        (5)

        τi=niτi

        (6)

        (7)

        將式(5)、(6)代入式(7),可得

        (8)

        通過(guò)參數(shù)分離,可以將機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件在廣義坐標(biāo)q下的廣義慣性力分解為

        (9)

        整理式(8)可得

        (10)

        (11)

        (12)

        將并聯(lián)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力按加速度因素、速度因素、重力因素以及負(fù)載外力因素分類整理,可得

        τN=τNa+τNυ+τNg+τNe

        (13)

        其中

        它們分別表示機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)受不同因素影響作用的結(jié)果。

        2.2 冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模

        在笛卡爾坐標(biāo)系下,假定中間約束分支上下連桿的廣義運(yùn)動(dòng)速度分別為υzu∈R6×1和υzd∈R6×1,其在廣義坐標(biāo)系q下的速度雅可比矩陣分別為Jzu∈R6×6和Jzd∈R6×6,可得

        筆者循誦《中峰集》幾過(guò),得到這樣一個(gè)印象:董玘對(duì)不同的文章體裁是區(qū)別對(duì)待的。也就是說(shuō),他還是有一定的文體意識(shí)的。比如他的奏疏、書札就寫得明白曉暢,因?yàn)檫@是一種應(yīng)用文體,必須看了讓人徹底明白自己的主張。而序、記、賦、志銘則寫得相對(duì)古奧,因?yàn)樽鳛橐粋€(gè)理學(xué)家,董氏要在這些體裁的文章中寄托自己的儒家理想,故文字不辭以模仿經(jīng)籍來(lái)出之。如《陳情乞恩給假省親疏》:

        (14)

        假定與機(jī)構(gòu)在廣義坐標(biāo)系下無(wú)限小廣義位移相對(duì)應(yīng)的中間約束分支上下連桿的廣義位移分別為δqzu∈R6×1和δqzd∈R6×1,可得

        (15)

        (16)

        整理得到

        (17)

        其中

        QN+QZ+F}

        (18)

        (19)

        其中(JHG)+T為矩陣(JHG)T的廣義偽逆,式(19)所獲得的驅(qū)動(dòng)力解為最小二范數(shù)解。

        基于式(19)可得到通過(guò)增加約束支鏈的冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力受不同因素影響作用的結(jié)果,即

        τC=τCa+τCυ+τCg+τCe

        (20)

        τCg=(JHG)+TGT(QN+QZ)

        τCe=(JHG)+TGTF

        通過(guò)對(duì)式(13)、(20)中機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力結(jié)果的對(duì)比可以看出,增加的約束支鏈對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力分配結(jié)果的影響,既包括支鏈運(yùn)動(dòng)約束所帶來(lái)的影響,也包括支鏈慣性量的影響。構(gòu)建動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo),可以更好地對(duì)比不同因素的影響。

        3 動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)

        對(duì)冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析,以及對(duì)比非冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的性能,需要綜合考慮不同機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型特征。將機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型中不同影響因素進(jìn)行運(yùn)算分析,提出可以方便直接應(yīng)用的動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

        3.1 加速度因素對(duì)動(dòng)力學(xué)的影響

        (21)

        由于動(dòng)平臺(tái)在空間中任意單位加速度運(yùn)動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)力均可由τNai通過(guò)線性組合獲得,于是機(jī)構(gòu)所需最大驅(qū)動(dòng)力向量的模可表示為

        (i=1,2,…,6)

        (22)

        其中‖·‖2表示向量在線性空間上的2-范數(shù),[·]i表示矩陣的第i個(gè)列向量。

        τCamax=max(‖[(JNG)+TGT(MN+MZ)G]i‖2)

        (i=1,2,…,5)

        (23)

        忽略中間約束分支質(zhì)量,將其視為約束關(guān)節(jié),則式(21)轉(zhuǎn)換為

        (i=1,2,…,5)

        (24)

        3.2 速度因素對(duì)動(dòng)力學(xué)的影響

        (25)

        因此,當(dāng)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)在空間中發(fā)生任意方向上的單位勻速移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)所需要施加的最大驅(qū)動(dòng)力向量的模為

        (i=1,2,…,6)

        (26)

        (CN+CZ)G)]i‖2)(i=1,2,…,5)

        (27)

        忽略中間約束分支的質(zhì)量,則式(27)的形式為

        (i=1,2,…,5)

        (28)

        3.3 重力因素對(duì)動(dòng)力學(xué)的影響

        (29)

        τCg=‖(JNG)+TGT(QN+QZ)‖2

        (30)

        忽略中間約束分支的質(zhì)量,則等式(30)的形式為

        (31)

        3.4 負(fù)載外力因素對(duì)動(dòng)力學(xué)的影響

        (32)

        式中Fi——機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)所承受的沿笛卡爾坐標(biāo)系不同坐標(biāo)軸方向的單位負(fù)載外力或外力矩,且Fi∈R6×1

        因此,機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)承受空間任意方向單位負(fù)載外力或外力矩時(shí),機(jī)構(gòu)所需的最大驅(qū)動(dòng)力向量的模為

        (33)

        τCemax=max(‖[(JNG)+TGT]i‖2)

        (i=1,2,…,5)

        (34)

        將τNemax和τCemax作為機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)參數(shù),用來(lái)對(duì)比分析在不考慮重力時(shí),處于靜止?fàn)顟B(tài)的一般非冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)與冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)支撐負(fù)載外力的性能。

        可以發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)外力負(fù)載性能指標(biāo)與中間約束分支慣性量無(wú)關(guān),即在關(guān)節(jié)速度雅可比相同的情況下,增加約束分支和約束關(guān)節(jié)對(duì)機(jī)構(gòu)的外力負(fù)載性能影響相同。

        4 數(shù)值算例

        約束分支UPU對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的影響,既包含其對(duì)動(dòng)平臺(tái)施加的運(yùn)動(dòng)約束所帶來(lái)的影響,也包含中間分支質(zhì)量的影響。兩種機(jī)構(gòu)相同部分采用相關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸與慣性參數(shù),機(jī)構(gòu)相關(guān)的幾何尺寸如表1所示,相關(guān)物理參數(shù)如表2所示。

        表1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)幾何尺寸

        表2 并聯(lián)機(jī)構(gòu)相關(guān)物理參數(shù)

        4.1 約束分支對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響

        兩種機(jī)構(gòu)由加速度因素、速度因素、重力因素以及外力負(fù)載因素等影響的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)分布與對(duì)比分別如圖4~7所示。

        4.2 約束關(guān)節(jié)對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響

        將約束分支視為無(wú)質(zhì)量分支,可以得到增加約束關(guān)節(jié)對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的影響。忽略約束分支質(zhì)量后,兩種機(jī)構(gòu)由加速度因素、速度因素、重力因素等影響的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)分布與對(duì)比如圖8~10所示。由前述分析可知,在約束關(guān)節(jié)速度雅可比相同的情況下,增加冗余約束分支和冗余約束關(guān)節(jié)對(duì)機(jī)構(gòu)的外力負(fù)載性能影響相同,故本節(jié)不對(duì)外力負(fù)載性能進(jìn)行對(duì)比。

        4.3 約束分支與約束關(guān)節(jié)對(duì)比

        對(duì)比圖4c和圖8b、圖5c和圖9b、圖6c和圖10b可以發(fā)現(xiàn),通過(guò)增加約束關(guān)節(jié)能夠增加機(jī)構(gòu)加速度性能、速度性能與重力性能,而增加冗余約束分支卻降低了機(jī)構(gòu)相關(guān)性能。進(jìn)而可以得出,冗余驅(qū)動(dòng)分支的約束提高了機(jī)構(gòu)性能,但分支質(zhì)量降低了機(jī)構(gòu)相關(guān)性能,降低的量與分支質(zhì)量相關(guān)。

        5 結(jié)束語(yǔ)

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