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专利号: 2019103969876
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种含UP副支链的并联机构的运动学正解求解方法,所述并联机构包括定平台、动平台和连接所述定平台和动平台的多个含UP支链的分支,UP支链的U副与定平台连接,其特征在于,其包括以下步骤:S1:在UP支链的U副的两个转轴上安装角度传感器;

S2:建立分支坐标系X1Y1Z1和分支坐标系X2Y2Z2,所述分支坐标系X1Y1Z1的原点选于所述UP支链U副的中心,所述分支坐标系X2Y2Z2的原点设置于与所述动平台连接的运动副的中心或轴线之上,且所述分支坐标系X2Y2Z2与建立于动平台上的动坐标系XbYbZb的姿态关系保持不变;

S3:建立定坐标系XBYBZB和动坐标系XbYbZb,且所述定坐标系XBYBZB与含UP副支链的并联机构的定平台固连,所述动坐标系XbYbZb与含UP副支链的并联机构的动平台固连;

S4:在初始状态所述分支坐标系X1Y1Z1、分支坐标系X2Y2Z2、定坐标系XBYBZB和动坐标系XbYbZb之间的位姿关系已知的条件下,建立所有坐标系间的位姿坐标关系;

S5:旋转矩阵1R2为3x3的方向余弦矩阵,其各列分别为l、m、n,且满足约束条件:l·l=m·m=n·n=1,l·m=m·n=n·l=0,l×m=n,m×n=l,n×l=m,以此,作为求解含UP支链的支链杆长方程组的约束条件;

S6:建立所述含UP支链的分支相对于分支坐标系X1Y1Z1的姿态变换矩阵,结合所述U副上的角度传感器测得的转动角α和β的数据,确定分支坐标系X2Y2Z2的原点在分支坐标系X1Y1Z1下的位置矢量1P2=[x,y,z]T;

S7:根据各个支链满足的闭环矢量方程,得出各个支链的杆长表达式;

S8:结合S5建立并联机构的求解位置正解方程组;

S9:化简所述位置正解方程组,得到位置正解求解式,并求出旋转矩阵1R2中的所有元素;以及

S10:得到含UP副支链的并联机构的动平台的位置正解唯一解,包括姿态矩阵BRb和位置矢量BPb,且BRb=1R2,BPb=1P2。

2.根据权利要求1所述的含UP副支链的并联机构的运动学正解求解方法,其特征在于,所述分支坐标系X1Y1Z1的原点选在U副的中心,X1轴沿所述U副的第一转轴的轴线方向,Y1轴沿所述U副的第二转轴的轴线方向,Z1轴方向根据右手法则确定,且所述第一转轴与定平台相连,所述第二转轴与UP支链相连,定坐标系XBYBZB的原点选于定平台的几何中心,且定坐标系XBYBZB的姿态与分支坐标系X1Y1Z1的初始姿态相同,所述动坐标系XbYbZb的原点选于动平台的几何中心,且动坐标系XbYbZb的姿态与分支坐标系X2Y2Z2的姿态始终相同。

3.根据权利要求1所述的含UP副支链的并联机构的运动学正解求解方法,其特征在于,若所述UP支链与动平台通过球副S连接,分支坐标系X2Y2Z2的原点选于球副S的中心,若所述UP支链与动平台通过转动副R连接,分支坐标系X2Y2Z2的原点选于转动副的轴线之上。

4.根据权利要求1所述的含UP副支链的并联机构的运动学正解求解方法,其特征在于,所述步骤S4中所有坐标系间的位姿坐标关系为:BRbBPb=BP11R21P22Pb;

式中,BRb为动坐标系XbYbZb相对于定坐标系XBYBZB的姿态矩阵,BPb为动坐标系XbYbZb相对B于定坐标系XBYBZB的位置矢量,P1为分支坐标系X1Y1Z1原点相对于定坐标系XBYBZB原点的位置矢量,1R2为分支坐标系X2Y2Z2相对于分支坐标系X1Y1Z1的旋转矩阵,1P2为分支坐标系X2Y2Z2相对于分支坐标系X1Y1Z1的位置矢量,2Pb为动坐标系XbYbZb相对于分支坐标系X2Y2Z2的位置矢量,其中,式中,存在关系l=[lx,ly,lz]T,m=[mx,my,mz]T,n=[nx,ny,nz]T,lx、mx、ly、my、lz、mz、nx、ny和nz是旋转矩阵1R2中的元素,x、y和z是分支坐标系X2Y2Z2相对于分支坐标系X1Y1Z1的位置矢量元素。

5.根据权利要求4所述的含UP副支链的并联机构的运动学正解求解方法,其特征在于,所述步骤S6中的姿态变换矩阵具体如下:所述步骤S6中的位置矢量具体如下:

式中,sα=sinα,cα=cosα,sβ=sinβ,cβ=cosβ,l1为含UP副的支链的长度,为已知量,α为支链绕X1轴转动的角度,转动后得到新的坐标系为X'Y'Z',β为绕Y′轴转动的角度,且α和β通过所述角度传感器测得。

6.根据权利要求5所述的含UP副支链的并联机构的运动学正解求解方法,其特征在于,所述步骤S7中的各个分支满足的闭环矢量方程为:lisi=Rai+P-bi;

式中,ai为定坐标系XBYBZB中分支坐标系X1Y1Z1原点的坐标,li为第i个支链的杆长,si为第i个支链的方向单位矢量,P为动坐标系XbYbZb在定坐标系XBYBZB的位置矢量,bi为分支坐标系X2Y2Z2的原点在动坐标系XbYbZb中的坐标,R为动坐标系XbYbZb在定坐标系XBYBZB的姿态变换矩阵。

7.根据权利要求6所述的含UP副支链的并联机构的运动学正解求解方法,其特征在于,将分支满足的闭环矢量方程展开并整理,便可得到所述步骤S7中的各个分支杆长方程表达式:式中,i=1,2...n,n为并联机构的支链数目,li为并联机构中第i个分支的支链长度,ai和bi分别为U副在分支坐标系X1Y1Z1的X1轴和Y1轴的坐标,pi和qi分别为连接动平台的运动副的中心在分支坐标系X2Y2Z2的X2轴和Y2轴的坐标,lx、mx、ly、my、lz和mz是旋转矩阵1R2中的元素,x、y和z是分支坐标系X2Y2Z2相对于分支坐标系X1Y1Z1的位置矢量,即所述位置矢量1P2中的元素。

8.根据权利要求7所述的含UP副支链的并联机构的运动学正解求解方法,其特征在于,所述步骤S8中的位置正解方程组如下:式中,Ai、Bi、Ci、Di、Ei均为中间变量,i=2,3...6,且为常数,各中间变量具体为:式中,lx、ly、lz、mx、my、mz、w1、w2为未知参量。

9.根据权利要求8所述的含UP副支链的并联机构的运动学正解求解方法,其特征在于,所述步骤S9中的位置正解求解式如下: