非相似型六自由度并联机器人奇异位形研究

【摘要】非相似型Stewart机构是由动、定平台为两个非相似的半规则正六边形通过六根SPS/SPU支链连接而成的一种典型的六自由度并联机器人。该机构已被广泛应用于微动机构、力/力矩传感器、虚拟轴机床、运动模拟器、空间对接机构等现代高精技术领域。由于奇异位形严重影响机构的性能，故有必要充分研究机构奇异位形的发生规律，并进一步探讨机构的奇异规避方法。为便于得到机构奇异轨迹及其分布规律，将奇异位形分为两类：给定姿态的位置奇异和给定位置的姿态奇异。基于机构的力雅可比矩阵，分别得到机构给定姿态时的位置奇异轨迹一般符号解析表达式和给定位置的基于单位四元数表征的姿态奇异轨迹的一般符号解析表达式。对于位置奇异，研究发现在一系列特征平面（动平面）上的机构位置奇异轨迹是具有明显的几何性质的二次曲线。总结出关于特征平面上的位置奇异曲线几何性质的两个基本定律并给予证明；利用Grassmann线几何与螺旋理论，分析了机构位于奇异位形时的瞬时运动学特性。以单位四元数为姿态参数研究机构的姿态奇异。阐明了机构位置参数给定时，位于姿态原点附近及姿态奇异曲面内部，必然存在一个理论无奇异姿态空间。将姿态原点为球心，姿态奇异曲面的最小内切球定义为无奇异姿态球；将反映该球体积大小的半径称为姿态能力，其可以作为衡量机构理论无奇异姿态空间的大小。进一步研究了机构构型参数和位置参数对姿态能力大小的影响情况。对机构位于给定姿态的位置空间和给定位置的姿态空间分别进行了研究。综合利用逐步搜索算法和二分法，给出机构给定姿态的位置空间、无奇异位置空间以及给定位置的约束姿态空间、实际无奇异姿态空间的数值求解新方法；将具有规则大小形状的实际无奇异姿态空间边界的最小内切球作为衡量机构实际无奇异姿态空间大小的标准，称之为实际姿态能力。定义约束位置空间内各个位置点的平均实际姿态能力为全局姿态能力，研究了机构构型参数对全局姿态能力的影响情况。在机构奇异位形研究的基础上，进一步研究机构给定姿态时的无奇异位置运动规划方法和给定位置处的无奇异姿态运动规划。利用机构动平面上位置奇异轨迹几何性质，研究了机构姿态给定时的位于动平面上无奇异位置运动路径的规划问题。以单位四元数为姿态参数，基于四元数理论构建刚体姿态运动学方程和快速旋转作用的姿态轨迹方程；通过分析机构姿态奇异轨迹分布并利用刚体快速旋转作用的姿态轨迹方程，构建机构无奇异快速姿态运动的规划方法；以雅可比矩阵条件数最小为目标，利用遗传算法优化机构的姿态冗余自由度，使得机构的运动及力传递性能得到显著改善。
【作者】李保坤；
【导师】张秋菊；
【作者基本信息】江南大学，轻化工技术与工程，2014，博士
【关键词】并联机器人；奇异；四元数；无奇异运动规划；

【参考文献】
[1]钟诗胜,林琳,李福军,王知行,庞贺伟,闫少光.基于实例的卫星污染环境预示系统方案设计[J].计算机工程,2003,06:38-39+149.
[2]赵婧.胃肠胰神经内分泌肿瘤临床病理特征、Akt/mTOR通路及预后分析[D].复旦大学,病理学与病理生理学,2012,硕士.
[3]任文慧.我国税务代理法律问题研究[D].河北大学,法律,2013,硕士.
[4]杨敏生,裴保华,程志鹏.白杨杂种无性系抗寒性生理指标动态分析[J].植物生态学报,1997,04:72-80.
[5]徐利.自动化生猪饲养管理系统的设计与实现[D].南京理工大学,控制工程,2013,硕士.
[6]魏翠萍,高志海,郭婷婷.一个基于三角函数的直觉模糊熵公式[J].控制与决策,2012,04:571-574.
[7]董强,王刚,钱冰清,邱介山.超声辅助静电纺丝技术制备炭纳米纤维/石墨烯复合电极及其超级电容器的性能[A].中国化学会.中国化学会第29届学术年会摘要集——第24分会：化学电源[C].中国化学会:,2014:1.
[8]张祥龙.高模量橡胶纳米复合材料的制备与性能及其应用研究[D].北京化工大学,材料科学与工程,2013,硕士.
[9]钟懋荣.地面定向聚能震源在陕甘宁盆地西缘的应用效果[J].石油地球物理勘探,1986,06:670-672.
[10]王凌鸿.西安市民办学前师资问题及对策研究[D].西北大学,公共管理（专业学位）,2014,硕士.
[11]覃潇婧.艺术专业大学生英语学习风格与英语自主学习能力的相关性研究[D].广西师范大学,课程与教学论,2013,硕士.
[12]牛雪珂.Tm~(3+)掺杂硫系光子晶体光纤增益特性理论研究[D].宁波大学,通信与信息系统,2014,硕士.
[13]王晶,王宗礼,陈骏宇,王雪锋,王肖杰,田磊.基于萤火虫优化算法的微网源—荷博弈模型及分析[J].电力系统自动化,2014,21:7-12.
[14]李雨株.大跨径覆土波纹钢板桥涵结构的受力性能研究[D].北京交通大学,桥梁与隧道工程,2013,硕士.
[15]肖思达.彩色视频超分辨率重建算法及其硬件实现研究[D].华南理工大学,微电子学与固体电子学,2014,硕士.
[16]朱舜.Fenton-like催化纤维的制备及其催化氧化染料的研究[D].浙江理工大学,2014.
[17]朱兖植.小型农用无人直升机飞行控制技术研究[D].南京航空航天大学,导航、制导与控制,2013,硕士.
[18]刘鹏.石墨烯和氧化铜复合材料的制备及电容性能研究[D].上海大学,2013.
[19]胡浩.基于无源光网络的高清网络摄像机设计[D].武汉邮电科学研究院,通信与信息系统,2012,硕士.
[20]吴梦茹.论检察机关之环境公益诉讼原告资格[D].湖南师范大学,环境与资源保护法学,2013,硕士.
[21]邵闻冲.下肢动脉硬化闭塞症人工血管转流术后闭塞相关因素分析[D].吉林大学,外科学,2014,硕士.
[22]马立群.高速无人机自动起飞与着陆控制技术研究[D].南京航空航天大学,导航、制导与控制,2013,硕士.
[23]杨东.未成年人社会调查报告制度研究[D].安徽大学,诉讼法学,2014,硕士.
[24]赵宇.议一种创新型旅游方式——低碳旅游[J].旅游纵览(下半月),2015,05:244+253.
[25]金欣磊,马龙华,吴铁军,钱积新.基于随机过程的PSO收敛性分析[J].自动化学报,2007,12:1263-1268.
[26]赵亚伟.钢板脉冲电镀锡和锡镍合金工艺及性能的研究[D].燕山大学,化学工程,2014,硕士.
[27]张荣.从理性选择到感性体验[D].吉林大学,社会学,2004,硕士.
[28]张超.基于生态服务价值的辽宁省土地利用优化配置研究[D].沈阳师范大学,土地资源管理,2013,硕士.
[29]林刚.基于ONT的WIFI接入功能的实现及优化[D].哈尔滨工业大学,电子与通信工程,2013,硕士.
[30]周世军,周勤.政策偏向、收入偏移与中国城乡收入差距扩大[J].财贸经济,2011,07:29-37.
[31]吴建吉.叔丁基-4-取代-3-羰基-2,8-二氮杂螺[4.5]癸烷-8-羧酸酯类化合物的合成[D].郑州大学,有机化学,2013,硕士.
[32]尚丽丽.会见权：辩护律师和受追诉者双重透视[D].扬州大学,法律,2012,硕士.
[33]刘军,侯平,魏茂林,秦文明,卢军.大情字井地区高精度三维地震解释技术及应用效果[J].石油地球物理勘探,2004,01:50-55+126-129.
[34]郭瑞霞,龚波,庞海涛,丁玉珍,李跃生.QJ9000A《质量管理体系要求》简介[J].质量与可靠性.2004(01)
[35]杨婕.综合业务接口板时钟控制电路的设计与实现[D].西北工业大学,导航、制导与控制,2004,硕士.
[36]方毅.人巨细胞病毒pp150和gp52融合基因的克隆表达及其重组蛋白的抗原性研究[D].中国人民解放军军事医学科学院,免疫学,2003,硕士.
[37]刘武军.三峡电厂生产管理信息系统的EAM/ERP实现[D].重庆大学,2004.
[38]主持人张晓峰　黄作金.沪指再创调整新低十字星重启变盘窗口[N].证券日报,2012-09-06B01.
[39]冯海洋.保定邯郸两市中国式摔跤俱乐部现状调查及对比分析[D].河北师范大学,体育教育训练学,2014,硕士.
[40]邹永华.注重技术因素的建筑设计理念及方法研究初探[D].清华大学,建筑技术科学,2003,硕士.
[41]林歌.央视长假交通新闻报道问题及对策研究[D].河北大学,新闻学,2014,硕士.
[42]杨燕珍.染料敏化太阳电池电解质材料的制备与性能研究[D].合肥工业大学,2013.
[43]莫映宽.基层政府应急管理的反应方式与民众满意度的研究[D].重庆大学,行政管理,2014,硕士.
[44]戴全辉.巡航导弹及其隐身化刍议[J].飞航导弹.2001(06)
[45]左都全（左小军）.基于Ansys的FSW构件时效成形模拟与回弹研究[D].南昌航空大学,航空宇航制造工程,2013,硕士.
[46]石龙龙.井地电位数据采集及无线通讯协议研究[D].吉林大学,测试计量技术及仪器,2013,硕士.
[47]文东.机动车辆保险费率市场化研究[D].重庆大学,工商管理,2003,硕士.
[48]姚力.劳特式轧机的技术改造[J].冶金自动化,1986,01:59.
[49]陈秋博,邹智元,李金龙,张竞涛,徐青.MSAP荧光检测初始数据的自动分析研究[J].生物技术通讯,2014,04:527-531.
[50]柳琦杰.气液两相流强化卷式纳滤膜分离无机/有机溶液研究[D].西南交通大学,生物化工,2014,硕士.