Delta型并联机构优化设计技术研究

东 北
大 学
2012 年 6 月
A Dissertation in Mechanical Design and Theory
Study on the Techniques of Optimization Design of Delta Parallel Mechanism
By Li Yanjie
学位论文作者签名： 签字日期：
导师签名： 签字日期：
-I-
东北大学硕士学位论文
摘要
Delta 型并联机构优化设计技术研究 摘 要
并联机构由固定平台、运动平台以及连接两者之间两个及两个以上的运动链 组成，驱动方式为并联，并且是一种闭环机构，它的自由度有两个或者两个以上。 它的结构稳定，承受载荷能力强，刚度大，无累积放大效应，运动的精度高。 随着对并联机构的研究的日趋深入，新型的并联机器人不断出现，1986 年发 明了 Delta 型并联机器人，并迅速在工业领域取得了成功。目前，国外在并联机 构领域的产业化方面已经取得了突破性进展，并且创造出了巨大的经济效益。而 在国内，由于起步晚，相关理论和关键技术的研究滞后，在生产实际中的并联机 构的应用情况并不理想。 本文以 Delta 型并联机构作为研究对象，围绕其尺寸参数的优化设计进行了 深入的研究，对它的工作空间指标、运动学灵巧度指标、刚度性能指标、动力学 性能指标进行了综合分析与优化设计，为解决这种多目标优化问题，提供了一种 切实可行的方法。具体的研究内容包括： (1)几何学，运动学和动力学的结构建模。 (2)对 Delta 型并联机构的各项性能指标进行了综合的分析。包括：工作空间 指标，运动学灵巧度性能指标，刚度性能指标，动力学性能指标等。 (3)针对不同性能指标下的最优尺寸参数，找到了一个切实可行的解决方法。 同时由于尺寸参数的数目较多，因此在最优化的过程中运用了遗传算法求解这一 问题。 (4)由于 Delta 型并联机器人有不同的性能指标，因此，如何综合这些性能指 标，选出一组能够体现并联机器人各项特性的尺寸参数是十分重要的。这就是并 联机构多目标的尺度综合问题。为解决这一尺度综合问题，运用多目标优化的概 念，通过使用遗传算法，对并联机器人的尺度综合问题进行了研究。 关键词：Delta 机构；并联机构；优化设计；遗传算法；多目标优化；尺度综合
Abstract ....................................................................................................................... IV 第 1 章 绪论............................................................................................................... 1
分类号 UDC
密级
学 位 论 文
Delta 型并联机构优化设计技术研究
作 者 姓 名 ： 李艳杰 指 导 教 师 ： 孙志礼 教授
东北大学机械工程与自动化学院 申请学位级别： 硕士 学 科 类 别 ： 工学
学科专业名称： 机械设计及理论 论文提交日期： 2012 年 6 月 论 文 答 辩 日 期 ： 2012 年 6 月 学位授予日期： 2012 年 7 月 答辩委员会主席： 评 阅 人 ：
Supervisor: Professor Sun Zhili
Northeastern University June 2012
独创性声明
本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果， 也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日 期：
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作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年 □ 一年□ 一年半□ 两年□
东北大学硕士学位论文
Abstract
by taking account simultaneously several criteria of performance. We use the concept of multi-objective optimization, and we use the Genetic Algorithm for the problem resolution Key words: Delta Mechanism; Parallel Mechanism; Optimization Design; Genetic Algorithm; Multi-objective Optimization; Dimensional Synthesis
-V-
东北大学硕士学位论文
目录
目 录
独创性声明 .................................................................................................................. I 摘 要 ........................................................................................................................学硕士学位论文
Abstract
Study on the Techniques of Optimization Design of Delta Parallel Mechanism Abstract
The Parallel Mechanism is composed by a fixed platform, a motion platform and two or more than two kinematic chains which connect the fixed platform and the motion platform. The way of drive is parallel, and it is a closed loop bodies, which has two or more degrees of freedom. Its structure is stabile, its load bearing capacity is strong, its stiffness is large, moreover, there is no cumulative amplification effect, and it has a high precision of movement. With the increasingly in-depth study of parallel mechanism, some new types of Parallel Mechanism appeared. Delta Parallel Mechanism was invented in 1986, and quickly achieved success in the industrial field. At present, foreign industry in the field of Parallel Mechanism has been made a breakthrough and created a huge economic benefits. But in our country, due to the late start, the relevant theory and key technology research lagged, the application of the Parallel Mechanism is not ideal. This paper is based on the research of Delta parallel mechanism. We conduct in-depth research of its optimization design of geometry parameter, a comprehensive analysis and optimization design in the indicator of workspace, kinematics dexterity index, stiffness, kinetic performance. In order to solve these problems, we use the method of multi-objective optimization. The detail contents are as following: (1) Geometric, kinematics and dynamic modeling of the chosen structure. (2) Evaluation of the criteria of performance. They are: workspace, stiffness, kinematics and dynamic performances. (3) In order to optimal the parameters due to the different performance index, we find a practical solution. (4) The dimensional synthesis remains a capital phase in the optimal design of the Delta parallel mechanism. We propose a methodology of the dimensional synthesis where the problem is expressed in terms of multi-objective optimization - IV -
1.1 并联机构基本概念及其发展历程 ..................................................................... 1 1.1.1 并联机构概述 ........................................................................................... 1 1.1.2 并联机构发展历程 ................................................................................... 2 1.2 并联机构的国内外研究现状 ............................................................................. 5 1.2.1 并联机构的构型设计 ............................................................................... 5 1.2.2 并联机构的运动学分析与设计 ............................................................... 6 1.2.3 并联机构的动力学建模 ........................................................................... 7 1.2.4 并联机构的尺度综合 ............................................................................... 8 1.3 选题的意义及论文的主要工作 ....................................................................... 10 1.3.1 选题的意义 ............................................................................................. 10 1.3.2 论文的主要工作 ......................................................................................11