基于传递、约束和输出特性的并联机构性能评价体系及应用

In the field of parallel manipulators, performance analysis and optimal design are two of the most significant research issues. Performance analysis helps researchers fully understand the essential property of parallel manipulators, which is on the basic of performance indices analyzed and defined by using the new mathematic tool accordingly. Meanwhile, performance indices are the basics and aims of the optimal design. This project realizes the weakness and imperfection of the existing indices while previously analyzing the motion/force transmission capabilities on the allowable level of parallel manipulators. Two new aspects are intended to be analyzed, i.e., the constraint properties on the limited level (the dual space of the allowable level), and the motion or force output capabilities under the working condition with the external loads of parallel manipulators. Finally, the above research achievements are extended to the redundant parallel manipulators. Thus, founding a performance evaluation system on the basics of transmission, constraint, and output properties is our key research aim. Then we will make further efforts on its practical values to guide the optimal design of parallel manipulators and equipments. Some necessary experiments will be set up to test and verify the rationality and validity of the proposed performance evaluation system. In sum, the project possesses the obvious requirements of theory and application, and the expected achievements will play significant roles on the independent innovative design and engineering application of parallel manipulators.

在并联机器人机构领域，性能分析与优化设计是最重要的研究内容之一，性能分析为研究者全面认识并联机构的本质特性奠定基础，它需要研究者使用相应的数学工具，定义相应的性能指标，从而衡量并联机器人机构的特性。同时性能指标也是研究者优化设计的依据和设计的目标。本项目在前期对并联机构针对许动层面上的运动/力传递特性研究时，认识到已有指标的不足和不全面，拟在受限层面（许动层面的对偶空间）内进一步研究机构的约束特性，并考虑存在外负载工况下的机构运动或力的输出特性，将以上研究成果进一步拓展至冗余并联机器人机构上，以期构建基于传递、约束和输出特性的并联机构性能评价体系，然后探讨其在机构设计中的应用，指导并联机构及其装备的优化设计，最后通过实验验证新指标体系的合理性。项目选题具有明显的理论和应用需求，研究结果将对并联机构研究以及相关装备的自主创新设计和工程应用具有重要的现实意义。

性能评价和尺度综合是并联机器人领域最重要也是最具挑战性的两个研究内容，性能评价是尺度综合的前提，是全面认识并联机构本质特性的根本，本课题主要研究并联机构的运动/力约束性能和输出特性，基于螺旋理论建立了运动和力旋量的子空间基底，即：许动/受限运动旋量子空间和驱动/约束力旋量子空间，利用互异、对偶和线性无关的内在联系对各旋量基底进行有效求解，为并联机构的性能评价奠定了数学基础，在并联机构的约束空间内定义了输入、输出和整体运动/力约束特性指标，考虑广义约束力旋量的作用关系定义了广义输出特性指标，从而构建了并联机构本质特性系列指标体系，该指标体系具有与坐标系选取无关和量纲统一性的特点，在此基础上，将所提出指标在并联机构的奇异性分析、同一并联机构构型在不同主动副配置下的优化选取以及并联机构的优化设计三个层面进行应用研究，并完成了四自由度喷涂机器人的优化设计。研究成果对并联机构的自主创新设计以及相关机器人装备的研发和应用具有重要的指导意义。