论文3RPSUPS结构并联机器人设计和分析是关于对写作3RPSUPS论文范文与课题研究的大学硕士、相关本科毕业论文ups论文开题报告范文和相关文献综述及职称论文参考文献资料下载有帮助。
摘 要：为了满足踝关节康复训练对自由度、工作空间和刚度等性能的要求,本文设计了一种新型的三自由度高刚性3RPS/UPS结构并联机器人.此结构在传统的3RPS结构基础上加入了一条UPS结构的冗余驱动支链,在保证满足自由度要求的同时,又增强了结构的刚度性能,减少了操作平台的晃动和形变,提高了操作精度.通过对此结构进行逆运动学分析、工作空间分析和刚度分析,验证了3RPS/UPS结构可以应用于踝关节康复训练这类具有高负载、操作灵敏等特点的操作任务.最后对该3RPS/UPS结构并联机器人进行了运动学控制仿真,仿真结果表明系统具有较高的动态轨迹跟踪控制精度,适用于实际应用.
关键词：刚度；并联机器人；逆运动学；3RPS；工作空间；运动学控制
中图分类号：TP242.3 文献标识码：A
文章编号：1674-2974（2016）10-0110-09
Abstract：To meet the demand of ankle rehabilitation training in degree of freedom （DOF）, workspace and stiffness, this paper proposed a three-DOF parallel mechanism with a novel 3RPS/UPS structure. By adding a redundant driving chain with UPS structure under the foundation of the conventional 3RPS mechanism, the proposed structure can meet the demand of DOF and enhance the stiffness simultaneously. Consequently, the shaking and deformation of the operating platform is decreased, and the operation accuracy is improved as well. In this paper, we conducted a systematic analysis on the aspect of inverse kinematics, workspace and stiffness, and then demonstrated the feasibility of the proposed 3RPS/UPS structure to ankle rehabilitation training with the characteristics of heavy-load, microoperation and so on. To verify the applicability in practical operation of the proposed 3RPS/UPS structure, we conducted kinematics control simulation and obtained a high accuracy in dynamic trajectory tracking.
Key words：stiffness； parallel mechanism； inverse kinematic； 3RPS； workspace； kinematics control
由于并联机器人具有运动学逆解简单、刚度高、关节累计误差小和运动精度高等优点,使其在康复机器人领域中得到了广泛应用.目前国内外已经开展了关于踝关节康复训练并联机器人的系统性研究,用于帮助踝关节扭伤者和患有足下垂、足内翻、足外旋的患者进行踝关节的康复训练.踝关节的运动可以分解为绕3个垂直轴的转动.Girone等[1]基于Stewart平台进行了踝关节康复机器人原型机设计和踝关节康复临床试验,此结构并联机器人具有6自由度,满足踝关节的运动自由度要求,取得了很好的实验结果.但是,由于Stewart平台具有结构复杂、控制环节过多等缺点,越来越多的学者开展了少自由度踝关节康复机器人的研究.Blanco-Ortega等[2]提出了一种具有两个自由度的康复机构,可以模拟踝关节的两个转动.由于踝关节康复训练机器人需要承载患者一部分身体的重量,而此负载会对动平台造成螺旋变形,影响动平台的位姿控制精度,所以要求用于踝关节康复训练的并联机器人应当具备高刚度特性.国内外很多学者都提出了增加中间支链的并联机器人,并利用其高刚度特点实现踝关节康复训练等机器人的设计.赵铁石等[3]对基于3RSS/S的并联结构进行了工作空间和运动性能分析,并验证了该结构能够模拟踝关节的3种转动.本文结合踝关节康复训练机器人对自由度和高刚度的要求,综合考虑基于3RPS少自由度并联机器人构件少、工作空间大、控制简单的优点,通过增加冗余驱动支链进一步提高其刚度性能和减小其运动耦合性.本文设计了一种3RPS/UPS结构4驱动3自由度冗余驱动并联构型,用于踝关节康复训练,此结构具有刚度高的优点,可以实现模拟踝关节的转动活动.
首先对3RPS/UPS结构进行逆运动学分析,为系统的性能分析和运动学控制做好准备.其次,对3RPS/UPS结构的工作空间进行了仿真,验证了该结构可以用于踝关节康复训练,为刚度仿真和运动学控制提供了参考依据.分别基于螺旋理论和影响系数法求解3RPS结构和UPS结构的全雅克比矩阵,进而建立了刚度性能模型,并通过实例验证3RPS/UPS结构的高刚度特性,为并联结构投入实际应用提供重要的参考依据.最后进行PID运动学控制仿真,仿真结果进一步验证了该结构可以满足实际应用和操作的需求.
1 并联结构构型
设计的并联结构如图1所示,该结构由动平台、静平台、连接动静平台端点的3RPS支链和连接动静平台中心点的UPS支链构成,其中,3RPS/UPS4条支链中都是以P铰链作为驱动铰链,其余铰链为被动铰链.
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参考文献：
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