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一种支链含 Pa 副的新型 2T1R 并联机器人的运动学分析与多目标性能优化研究

段纯

段纯. 一种支链含 Pa 副的新型 2T1R 并联机器人的运动学分析与多目标性能优化研究[J]. 机械科学与技术,2023,42(3):453-461 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200558
引用本文: 段纯. 一种支链含 Pa 副的新型 2T1R 并联机器人的运动学分析与多目标性能优化研究[J]. 机械科学与技术,2023,42(3):453-461 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200558
DUAN Chun. Kinematics Analysis and Performance Optimization of a New 2T1R Parallel Robot with Pa Pairs in Branch Chain[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(3): 453-461. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200558
Citation: DUAN Chun. Kinematics Analysis and Performance Optimization of a New 2T1R Parallel Robot with Pa Pairs in Branch Chain[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(3): 453-461. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200558

一种支链含 Pa 副的新型 2T1R 并联机器人的运动学分析与多目标性能优化研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200558
基金项目: 2020 年度高校学科(专业)拔尖人才学术项目(gxbjZD-2020129)
详细信息
    作者简介:

    段纯(1979−),副教授,硕士,研究方向为机电控制系统、机器人技术,invincible2012@163.com

  • 中图分类号: TH122

Kinematics Analysis and Performance Optimization of a New 2T1R Parallel Robot with Pa Pairs in Branch Chain

  • 摘要: 以并联机构2T1R作为研究对象,基于并联机构拓扑结构设计理论综合出一类支链含Pa平行四边形机构的2T1R并联机构,并优选出两种新型2PRPaR-PPaR与2RRPaR-PPaR并联机构,以2PRPaR-PPaR并联机构为例,利用方位特征集拓扑结构理论计算机构的方位特征集、自由度、耦合度等拓扑特性,根据建立的特征方程并得到机构的运动学逆解解析式。基于此,分别对机构的工作空间、灵巧度、转动能力等性能指标可视化分析,并通过图形化对比分析机构参数对这些性能指标的影响,最后建立工作空间和全局灵巧度多目标优化模型,选择快速非支配多目标优化算法(NSGA-Ⅱ)实现机构尺度综合,结果表明:2PRPaR-PPaR机构具有工作空间较大、灵巧度较好、转动能力高等优良特性,优化出一组不同姿态角下的对工作空间和全局灵巧度的多目标pareto优化解。
  • 图  1  3自由度2PRPaR-PPaR并联机构结构简图

    图  2  3自由度2PRPaR-PPaR并联机构三维图

    图  3  2PRPaR-PPaR并联机构的可达工作空间

    图  4  不同姿态角下并联机构的定姿态工作空间

    图  5  2PRPaR-PPaR并联机构在工作空间内的转动能力分布

    图  6  3种姿态角下2PRPaR-PPaR并联机构的灵巧度分布

    图  7  不同参数下的定姿态工作空间面积随姿态角的分布

    图  8  不同参数下的全局灵巧度随姿态角的分布

    图  9  定姿态工作空间随参数空间的分布

    图  10  定姿态工作空间内全局灵巧度在参数空间的分布

    图  11  全局转动能力指标在参数空间的分布

    图  12  不同姿态角下的多目标优化的Pareto优化解前沿

    表  1  机构输出特征与支链描述

    方位特征集编号支链描述及简图
    $ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{t^2}} \\ {{r^1}} \end{array}} \right] $A1HSOC{−P(⊥P(4R)//R−)}

    A2HSOC{−◇(P(4R)P(4R)//R−)}

    A3HSOC{−◇(P(4−4R), P(4−4R)//R−)}

    $ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{t^3}} \\ {{r^1}} \end{array}} \right] $B1HSOC{−P//R(⊥P(4R)//R−)}

    B2HSOC{−P//R(⊥P(4R)//R−)}

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    表  2  2T1R并联机构组合方案

    编号特点支链描述
    1 支链结构
    完全相同
    $ 3 - HSOC\{ { { - P( { \bot {P^{( {4R} )}}} )//R - } \}} $
    2 支链结构
    完全相同
    $ 3 - HSOC\{ { { - \diamondsuit ( {{P^{( {4R} )}} - } ){P^{( {4R} )}}//R - } \}} $
    3 支链结构
    完全相同
    $ 3 - HSOC\{ { { - \diamondsuit ( {{P^{4 - ( {4R} )}} - } ){P^{( {4 - 4R} )}}//R - } \}} $
    4 支链结构
    部分相同
    $ 1 - HSOC\{ { { - P( { \bot {P^{( {4R} )}}} )//R - } \}} $
    $ 2 - HSOC\{ { { - P//R( { \bot {P^{( {4R} )}}} )//R - } \}} $
    5 支链结构
    部分相同
    $ 1 - HSOC\{ { { - \diamondsuit ( {{P^{( {4R} )}} - } ){P^{( {4R} )}}//R - } \}} $
    $ 2 - HSOC\{ { { - P//R( { \bot {P^{( {4R} )}}} )//R - } \}} $
    6 支链结构
    部分相同
    $ 1 - HSOC\{ { { - \diamondsuit ( {{P^{4 - ( {4R} )}} - } ){P^{( {4 - 4R} )}}//R - } \}} $
    $ 2 - HSOC\{ { { - P//R( { \bot {P^{( {4R} )}}} )//R - } \}} $
    7 支链结构
    部分相同
    $ 1 - HSOC\{ { { - P( { \bot {P^{( {4R} )}}} )//R - } \}} $
    $ 2 - HSOC\{ { { - R//R( { \bot {P^{( {4R} )}}} )//R - } \}} $
    8 支链结构
    部分相同
    $ 1 - HSOC\{ { { - \diamondsuit ( {{P^{( {4R} )}} - } ){P^{( {4R} )}}//R - } \}} $
    $ 2 - HSOC\{ { { - R//R( { \bot {P^{( {4R} )}}} )//R - } \}} $
    9 支链结构
    部分相同
    $ 1 - HSOC\{ { { - \diamondsuit ( {{P^{4 - ( {4R} )}} - } ){P^{( {4 - 4R} )}}//R - } \}} $
    $ 2 - HSOC\{ { { - R//R( { \bot {P^{( {4R} )}}} )//R - } \}} $
    10 支链结构
    完全不同
    $ 1 - HSOC\{ { { - P( { \bot {P^{( {4R} )}}} )//R - } \}} $
    $ 1 - HSOC\{ { { - \diamondsuit ( {{P^{( {4R} )}} - } ){P^{( {4R} )}}//R - } \}} $
    $ 1 - HSOC\{ { { - \diamondsuit ( {{P^{4 - ( {4R} )}} - } ){P^{( {4 - 4R} )}}//R - } \}} $
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    表  3  在工作空间面积约为15 m2的典型的Pareto最优解

    参数60°120°180°
    L/m1.785222
    r/cm0.50210.6070.563
    R/m1.9991.451.0361.167
    S/m215.2814.7415.9815.95
    $ {G_{CI}} $0.1080.2240.16210.119
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  • 收稿日期:  2020-03-15
  • 刊出日期:  2023-03-25

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