專利名稱：動態(tài)各向同性廣義Stewart容錯并聯(lián)機構(gòu)及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種并聯(lián)機構(gòu)及其設(shè)計方法,具體涉及動態(tài)各向同性廣義Stewart容錯并聯(lián)機構(gòu)及其設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
為完成航天器中繼、高分辨率觀察、機載激光器、微操作機器人等精密及指向需求，所應(yīng)用的精S定位及指向系統(tǒng)必須具有精S的指向精度，聞響應(yīng)的振動隔尚及振動抑制能力。Stewart并聯(lián)機構(gòu)具有剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、承載能力強、精度高和動態(tài)特性好的特點，對6自由度方向上的擾動能夠進行隔離和抑制，已發(fā)展成為精密定位及指向應(yīng)用的新技術(shù)。目前廣泛應(yīng)用的標準Stewart并聯(lián)機構(gòu)，其自由度間存在運動學(xué)及動力學(xué)耦合，滿足特定應(yīng)用的優(yōu)化設(shè)計和高精度控制實現(xiàn)仍然比較困難。更為重要的是，精密及指向的并聯(lián)機構(gòu)要求精密指向、振動隔離及抑制功能，其性能指標與機構(gòu)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計密切相關(guān)。因此，設(shè)計階段考慮動態(tài)和控制性能極為重要。理論上，非冗余Stewart并聯(lián)機構(gòu)具有6個驅(qū)動支腿，執(zhí)行末端在空間上具有6個自由度，完全能夠滿足精密定位機及指向應(yīng)用的自由度需求。但對于這些應(yīng)用來說，可靠性和安全性更為重要，即要求驅(qū)動支腿工作完全可靠，保證并聯(lián)機構(gòu)的逆Jacobian陣滿秩。設(shè)計的非冗余并聯(lián)機構(gòu)盡管在工作空間內(nèi)無奇異，卻保證不了某一支腿或若干支腿失效后仍保證系統(tǒng)的本質(zhì)安全。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有非冗余并聯(lián)機構(gòu)在一支腿或若干支腿失效后，不能保證其系統(tǒng)的本質(zhì)安全的問題，進而提出一種動態(tài)各向同性廣義Stewart容錯并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計方法。本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是本發(fā)明包括下平臺、上平臺、第一支腿、第二支腿、第三支腿、第三支腿、第五支腿、第六支腿、第七支腿、第八支腿、八個上鉸組件和八個下鉸組件，第一支腿的上端、第三支腿的上端、第五支腿的上端、第七支腿的上端分別各通過一個上鉸組件安裝在上平臺上半徑為ral的第一上鉸圓的圓周上，第一支腿的下端、第三支腿的下端、第五支腿的下端、第七支腿的下端分別各通過一個下鉸組件安裝在下平臺上半徑為rbl的第一下鉸圓的圓周上，第二支腿的上端、第四支腿的上端、第六支腿的上端、第八支腿的上端分別各通過一個上鉸組件安裝在上平臺上半徑為ra2的第二上鉸圓的圓周上，第二支腿的下端、第四支腿的下端、第六支腿的下端、第八支腿的下端分別各通過一個下鉸組件安裝在下平臺上半徑為rb2的第二下鉸圓的圓周上。本發(fā)明所述動態(tài)各向同性廣義Stewart容錯并聯(lián)機構(gòu)的設(shè)計方法的具體步驟如下步驟一、根據(jù)負載質(zhì)量幾何特性及安裝要求選擇機構(gòu)構(gòu)型，以第一下鉸圓的幾何中心為慣性坐標系原點0B，第一上鉸圓與第一下鉸圓連接的第八支腿與第一支腿夾角平分線為慣性坐標系的Xb軸，經(jīng)過第一下鉸圓圓心的法向方向向上的直線為Zb軸，按右手定則定義Yb軸，建立三維直角坐標系；步驟二、確定廣義Stewart容錯并聯(lián)機構(gòu)的構(gòu)型，當ral < ra2, rbl < rb2時,此時并聯(lián)機構(gòu)為1C-1C型機構(gòu)；當ral = ra2, rbl < rb2時,此時并聯(lián)機構(gòu)為1C-2C型機構(gòu)；當ral
權(quán)利要求
1.動態(tài)各向同性廣義Stewart容錯并聯(lián)機構(gòu),其特征在于所述動態(tài)各向同性廣義 Stewart容錯并聯(lián)機構(gòu)包括下平臺(I)、上平臺(2)、第一支腿、第二支腿、第三支腿、第三支腿、第五支腿、第六支腿、第七支腿、第八支腿、八個上鉸組件(3)和八個下鉸組件(4)，第一支腿的上端、第三支腿的上端、第五支腿的上端、第七支腿的上端分別各通過一個上鉸組件(3)安裝在上平臺(2)上半徑為ral的第一上鉸圓的圓周上，第一支腿的下端、第三支腿的下端、第五支腿的下端、第七支腿的下端分別各通過一個下鉸組件(4)安裝在下平臺(I)上半徑為rbl的第一下鉸圓的圓周上，第二支腿的上端、第四支腿的上端、第六支腿的上端、第八支腿的上端分別各通過一個上鉸組件(3)安裝在上平臺(2)上半徑為ra2的第二上鉸圓的圓周上，第二支腿的下端、第四支腿的下端、第六支腿的下端、第八支腿的下端分別各通過一個下鉸組件(4)安裝在下平臺(I)上半徑為rb2的第二下鉸圓的圓周上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述動態(tài)各向同性廣義Stewart容錯并聯(lián)機構(gòu)，其特征在于下鉸組件(4)為球鉸、虎克鉸或彈性鉸，上鉸組件(4)為球鉸、虎克鉸或彈性鉸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述動態(tài)各向同性廣義Stewart容錯并聯(lián)機構(gòu),其特征在于第一支腿、第二支腿、第三支腿、第四支腿、第五支腿、第六支腿、第七支腿、第八支腿均為伺服液壓缸線性制動器或伺服電動缸線性制動器。
4.一種權(quán)利要求1所述并聯(lián)機構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于所述動態(tài)各向同性廣義Stewart容錯并聯(lián)機構(gòu)的設(shè)計方法的具體步驟如下 步驟一、根據(jù)負載質(zhì)量幾何特性及安裝要求選擇機構(gòu)構(gòu)型，以第一下鉸圓的幾何中心為慣性坐標系原點Ob，第一上鉸圓與第一下鉸圓連接的第八支腿與第一支腿夾角平分線為慣性坐標系的Xb軸，經(jīng)過第一下鉸圓圓心的法向方向向上的直線為Zb軸，按右手定則定義Yb軸，建立三維直角坐標系； 步驟二、確定廣義Stewart容錯并聯(lián)機構(gòu)的構(gòu)型，當ral < ra2,rbl < rb2時,此時并聯(lián)機構(gòu)為1C-1C型機構(gòu)；當ral = ra2, rbl < rb2時,此時并聯(lián)機構(gòu)為1C-2C型機構(gòu)；當ral < ra2,rbl = rb2時,此時并聯(lián)機構(gòu)為2C-1C型機構(gòu)；iral = ra2,rbl = rb2時,此時并聯(lián)機構(gòu)為2C-2C型機構(gòu)，ra2表示第二上鉸圓的半徑，rb2表示第二下鉸圓的半徑，ral表示第一上鉸圓半徑，rbl表不第一下鉸圓半徑； 步驟三、基于PSO優(yōu)化算法求解設(shè)計變量采用多目標優(yōu)化的粒子群PSO 算法求解目標函數(shù)Fm
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述動態(tài)各向同性廣義Stewart容錯并聯(lián)機構(gòu)的設(shè)計方法,其特征在于步驟二中多目標優(yōu)化的粒子群pso算法求解目標函數(shù)Fmn = Ia-^)2的方法為 PSO搜索空間為D維，當P =1時0 = 6，P古I時D = 7，PSO種群的粒子數(shù)為N，N < 50，第i粒子的位置表示為D維，P = I 時 Xi = (xn, Xil,…，xi6) = ( a「旦工，a2-^2, rbl, n, p, q),P 古 I 時 Xi = (xn, Xil,…，xi7) = ( a j, a 2-旦 2，rbl, P , n, p, q)； 第i粒子的速度表示為D維向量Vi= (vn,vn,…，viD);第1粒子的“飛行”歷史中的過去最優(yōu)解位置PBest為Pi = (pn，pn,…，口^)，其中所有？力=1，…，N)中的最優(yōu)個體被記作Pg，每個粒子的位置按如下公式進行變化 ViJ+1 = WVi^ciri [Pij-XijJ +c2r2 [P^'-X^']②，XiJ+1 = XiW+1 ③， 公式②、③中W表示慣性因子，初始慣性因子W = 0. 8，最終慣性因子取W = 0. 2, C1, C2表示加速因子，為正常數(shù)，C1 = C2 =1. 2, I^r2表示
之間的隨機數(shù)， 第d維的位置變化范圍和速度變化范圍分別為[_xd,min，XdjmaJ和[_Vd,min，Vd,max]，迭代中若某一維的某個粒子的位置或速度超過邊界，則取邊界值，粒子群的初始位置和速度隨機產(chǎn)生，然后按公式②和③進行迭代，直到滿足停止條件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述動態(tài)各向同性廣義Stewart容錯并聯(lián)機構(gòu)的設(shè)計方法,其特征在于按公式②和③進行迭代時，當相鄰迭代結(jié)果保持10次不變即終止迭代，或迭代的最大終止殘差小于等于le-6，以及最大迭代次數(shù)500次時終止迭代。
全文摘要
動態(tài)各向同性廣義Stewart容錯并聯(lián)機構(gòu)及其設(shè)計方法，它涉及一種并聯(lián)機構(gòu)及其設(shè)計方法，具體涉及動態(tài)各向同性廣義Stewart容錯并聯(lián)機構(gòu)及其設(shè)計方法。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有非冗余并聯(lián)機構(gòu)在一支腿或若干支腿失效后，不能保證其系統(tǒng)的本質(zhì)安全的問題。本發(fā)明的第二支腿的上端、第四支腿的上端、第六支腿的上端、第八支腿的上端分別各通過一個上鉸組件安裝在上平臺上半徑為ra2的第二上鉸圓的圓周上，第二支腿的下端、第四支腿的下端、第六支腿的下端、第八支腿的下端分別各通過一個下鉸組件安裝在下平臺上半徑為rb2的第二下鉸圓的圓周上。本發(fā)明用于航空航天領(lǐng)域。
文檔編號B25J9/16GK103009375SQ20121050449
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者佟志忠, 姜洪洲, 何景峰, 段廣仁 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)