多自由度并联机构分析与控制.pdf

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20152015年年年年33月月月月多自由度并联机构分析多自由度并联机构分析多自由度并联机构分析多自由度并联机构分析与控制与控制与控制与控制哈尔滨工业大学HarbinInstituteofTechnology课程基本情况课程基本情况中文名称：

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Multi-DegreeofFreedomParallelMechanismMulti-DegreeofFreedomParallelMechanismAnalysisandControlAnalysisandControl任课教师：

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姜洪洲姜洪洲姜洪洲姜洪洲联系方式：

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上课学时：

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3322考核方式：

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研究报告（50%）+（50%）+报告展示报告展示报告展示报告展示（50%）（50%）参考教材参考教材黄真，并联机器人机构学理论及控制,机械工业出版社.1997黄真个人简况：

1959年毕业于哈尔滨工业大学机械工艺专业，现任燕山大学机械工程学院教授，博士生导师。

我国最早的一位从事并联机器人研究的学者。

黄真教授黄真教授著作作者著作作者参考教材参考教材液压6-DOF并联机器人操作手运动和力控制的研究.河北大学出版社.2001河北大学校长王洪瑞教授单通道控制！

参考教材参考教材J-P.Merlet.ParallelRobots（secondedition）,Springer,2006J-P.Merlet著作作者著作作者http:

/www-sop.inria.fr/members/Jean-Pierre.Merlet/merlet_eng.html法国国家信息与自动化研究所（INRIA）参考教材参考教材G.Gogu.StructuralSynthesisofParallelRobots,Springer,2006罗马尼亚人现为法国某大学教授硕士学位：

机床动力学；博士学位：

机器人；GrigoreGogu参考教材参考教材McGillUniversity加拿大蒙特利尔加拿大蒙特利尔IFToMM,theInternationalFederationforthePromotionofMechanismandMachineScience并联机构介绍并联机构介绍并联机构介绍并联机构介绍哈尔滨工业大学HarbinInstituteofTechnologyParallelmechanisms:

anintroduction绪论内容绪论内容1.1并联机构定义、结构与组成1.2并联机构的提出与发展历史1.3并联机构的特点1.4并联机构的应用1.5并联机构的资源串联机构串联机构SelectiveCompliantAssemblyRobotArmSCARAIn1981,SankyoSeiki,PentelandNECpresentedacompletelynewconceptforassemblyrobots串联机构串联机构SCARAbase1.1并联机构定义、结构与组成并联机构定义、结构与组成并联机构并联机构（ParallelMechanism，简称PM）并联机构实例并联机构实例一个公共的平台，通过几个支腿与基础平台相连。

一个公共的平台，通过几个支腿与基础平台相连。

即动平台和定平台之间通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。

Merlet1.1并联机构定义、结构与组成并联机构定义、结构与组成移动平台移动平台（End-effector）上铰上铰支腿支腿（strut）下铰下铰固定平台固定平台（Base）并联机构的例子并联机构的例子P移动副（Prismatic）R旋转副（Rotational）S球面副（Spherical）U万向铰、虎克铰（Universal）并联机构的例子并联机构的例子6-RUS6-RUS并联机构的例子并联机构的例子并联机构的例子并联机构的例子摘自：

M.L.Husty.AlgebraicmethodsinmechanismsanalysisandsynthesisManfredHusty奥地利、Innsbruck大学典型并联机构典型并联机构Gough-Stewart平台典型并联机构典型并联机构基于Gough-Stewart平台的坦克运动模拟器视频TheTrueOriginsofParallelRobotsIlianBonev博士论文：

博士论文：

GEOMETRICANALYSISOFPARALLELMECHANISMS2002,LAVALUNIVERSITY1.2并联机构提出与历史并联机构提出与历史雷恩雷恩，克里斯托弗：

雷恩，克里斯托弗：

（1632-1723）英国建筑师英国建筑师剑桥大学的三一学院雷恩图书馆剑桥大学的三一学院雷恩图书馆（1676-1684年）年）圣保罗大教堂圣保罗大教堂（1675-1710年）年）ChristopherWren1.2并联机构提出与历史并联机构提出与历史柯西（17891857）法國數學家。

）法國數學家。

八面体研究八面体研究Cauchy18131.2并联机构提出与历史并联机构提出与历史动感影院早期设想走在时代前面1928byJ.E.Gwinnet1.2并联机构提出与历史并联机构提出与历史第一个并联机器人（工业机器人）Thefirstspatialindustrialparallelrobot,patentedin1942（USPatentNo.2,286,571）.WillardL.G.PollardJr1.2并联机构提出与历史并联机构提出与历史GoughGoughtire-testingmachine1947年，英国EricGough博士1.2并联机构提出与历史并联机构提出与历史振动台1.2并联机构提出与历史并联机构提出与历史振动台最早的使用者JohnMilne大森房吉大森房吉（OmoriFusakichi，1868-1923）日本明治时期地震学家。

1894年留学意大利、德国，1897年回国后任帝大教授，为日本地震学创始者，发现地震带，设计地震计，编集地震资料，对日本的地震学很有贡献。

英格兰人。

和同事共同发明了第一台能够精确测量地震强度的测震仪。

米尼在当时的大不列颠王国内的许多地方共设立了27个测量地震的测量仪器网。

直到1913年米尼逝世，全世界已经建立了40个用来监测地震发生的观测站。

大森房吉大森房吉约翰约翰米尼米尼1.2并联机构提出与历史并联机构提出与历史Stewart平台StewartD.Aplatformwith6degreesoffreedom.Proc.oftheInstitutionofmechanicalengineers,180（Part1,15）:

371386,1965.引用次数：

引用次数：

1200次次1.2并联机构提出与历史并联机构提出与历史Stewart平台1.2并联机构提出与历史并联机构提出与历史Cappel,K.L.1960sbyCappelforhelicoptersimulator1.2并联机构提出与历史并联机构提出与历史振动台1.2并联机构提出与历史并联机构提出与历史专利US3295224http:

/并联机构提出与历史并联机构提出与历史1.2并联机构提出与历史并联机构提出与历史Cappel,K.L.1960sbyCappelforhelicoptersimulator1.2并联机构提出与历史并联机构提出与历史K.H.Hunt（1920-2002）澳大利亚莫那什大学机构学教授澳大利亚莫那什大学机构学教授提出将并联机构用于机器人领域提出将并联机构用于机器人领域1990,OxfordUniversityPress（Oxford,NewYork）1.2并联机构提出与历史并联机构提出与历史K.H.Hunt发表串并发表串并对偶性对偶性文章文章Series-parallelDualitiesinActivelyCoordinatedMechanismsKennethJ.WaldronKennethH.HuntOhioStateUniversityMonashUniversityColumbus,Ohio,U.S.A.Clayton,Victoria,AustraliaItwillbedemonstratedthatthereisadeepsymmetrybetweenserialchainmanipulatorsandfullyparallelsystemssuchastheStewartplatform.1.2并联机构提出与历史并联机构提出与历史r2转动能力转动能力并联机构设计并联机构设计转动角度小转动角度小转动角度大转动角度大转动能力转动能力并联机构设计并联机构设计横向刚度差横向刚度差横向刚度好横向刚度好刚度刚度并联机构设计并联机构设计台子比较高台子比较高台子变矮后台子变矮后固有频率固有频率横向频宽一般要低于其他自横向频宽一般要低于其他自由度频宽，而矮结构可以缓由度频宽，而矮结构可以缓解这种差异。

解这种差异。

并联机构设计并联机构设计矮结构矮结构优点：

优点：

水平出力大水平出力大横向刚度好横向刚度好缸行程短缸行程短缸速度小缸速度小液压源流量小液压源流量小矮结构的优点矮结构的优点并联机构设计并联机构设计高结构矮结构设计者更容易选择设计者更容易选择“矮结构矮结构”的台子的台子容易倾向的结构容易倾向的结构并联机构设计并联机构设计早期的设计结果早期的设计结果并联机构设计并联机构设计这样做就足够了吗？

并联机构设计并联机构设计这种“矮结构”台子更容易倒！

而不是直观感觉那样更“稳定”Hunt奇异奇异重力重力A轴轴并联机构设计并联机构设计Hunt奇异奇异并联机构设计并联机构设计并联机构设计并联机构设计无奇异位形1.功率小、成本低（体现经济性）2.刚度高（体现性能）3.无干涉（体现安全性）从根本上保证机构的安全性，失控情况下也不会倾覆必须加上这一条设计原则设计原则结构校验结构校验ADAMS模型模型结构校验结构校验结构校验结构校验驱动系统设计驱动系统设计液压缸液压缸驱动系统设计驱动系统设计液压缸形式液压缸形式（a）（a）双出杆对称作动器双出杆对称作动器（b）（b）单出杆非对称作动器单出杆非对称作动器（c）（c）单出杆对称作动器单出杆对称作动器活塞杆活塞缸筒活塞杆活塞缸筒套筒环形作用面积油口油口驱动系统设计驱动系统设计液压缸形式液压缸形式大腔大腔驱动系统设计驱动系统设计液压缸形式液压缸形式油口油口垂直速度要求垂直速度要求垂直速度要求垂直速度要求1.9m/s1.9m/s长时间运动长时间运动长时间运动长时间运动驱动系统设计驱动系统设计液压缸形式液压缸形式油口油口负载很轻负载很轻负载很轻负载很轻仅仅仅仅300kg300kg驱动系统设计驱动系统设计液压缸形式液压缸形式驱动系统设计驱动系统设计液压缸形式液压缸形式大腔小腔驱动系统设计驱动系统设计液压缸形式液压缸形式密封：

密封：

组合密封：

摩擦力大，成本低；组合密封：

摩擦力大，成本低；静压支撑：

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摩擦力小，成本高；CAE公司的飞行模拟器公司的飞行模拟器驱动系统设计驱动系统设计液压缸参数液压缸参数1.有效行程有效行程（L）2.活塞直径活塞直径（D）3.活塞杆直径活塞杆直径（d）4