五自由度混联加工机器人高刚度构型综合方法研究

5-DOF hybrid robot is an effective solution for high-efficiency and high-quality processing of large and complex structures in aerospace field. The stiffness performance of the robot is the key factor for high-performance operation. Present research on stiffness of hybrid robot for manufacturing focus on dimensional design, structure design and materials. But type synthesis is the basis for achieving high stiffness of the robot. To explore the principle of mechanism type with high stiffness and how to design mechanism with high stiffness are scientific problems currently facing. Based on the relationship between inputs and outputs, this project is to study on the principle of mechanism realizing high stiffness, and to reveal the principle of the matching series and parallel module of the high-stiffness hybrid robot. The method of type synthesis the parallel module of the 5-DOF hybrid robot with high stiffness is to be studied，and new type of hybrid mechanism will be proposed. This research will provide a theoretical basis for the design of high-performance processing equipment in aerospace field, thus it has theoretical significance and practical value.

五自由度混联加工机器人是航空航天等领域大型复杂构件高效高质量加工的有效方案，机器人的刚度性能是高效高质量加工的关键保证。目前混联机器人研究多在机构尺度综合、结构设计和材料方面考虑刚度问题，而构型综合是实现高刚度设计的基础，探索构型高刚度实现原理及如何进行基于高刚度特性的构型综合是目前所面临的科学难题。本项目以机构输入输出的关联关系矩阵为工具，研究机器人构型高刚度实现原理，研究混联机器人的串并混联自由度匹配方法，研究具有高刚度特性的并联模块构型综合方法，建立五自由度混联加工机器人高刚度构型综合方法，提出高刚度五自由度混联加工机器人新构型。本项目研究成果将为航空航天等领域五自由度混联加工机器人装备的研制提供设计关键技术，具有重要的理论意义和应用价值。

项目背景：航空航天等领域结构件在朝着大型化、复杂化、新材料和制造精确化方向发展，对高性能五自由度加工装备的需求日益突出。传统五轴机床在速度、工作空间和灵活性等方面难以满足要求。关节型串联机器人刚度不足，难以满足高质量加工的需求。五自由度串并混联机器人结合串/并联机器人在工作空间、速度、精度和刚度等方面的优点，在大型复杂结构件高速高精度加工方面具有很大优势。高刚度是混联机器人满足高效高质量加工需求的关键保证，本项目研究高刚度混联机器人构型设计方法。.研究内容：（1）机构构型的高刚度特性实现原理；（2）五自由度混联加工机器人串并联模块自由度匹配方法；（3）五自由度混联加工机器人并联模块高刚度构型综合方法；（4）五自由度混联加工机器人构型刚度性能仿真与实验验证。.重要结果及关键数据：（1）混联机构的刚度主要取决于并联模块的刚度，如何有效提升机构的结构刚度是实现高刚度机构设计的关键，各个支链的约束力/力矩若分布均匀，即外部载荷的力流传递分布均匀，机构具有良好的力传递特性，则机构的刚度处于较优状态；（2）机构具有较好刚度特性的一个特征是其各个支链分配的约束力/力矩均匀，几何上呈对称分布，更进一步，高刚度构型设计的设计准则还包括：提高过约束的程度，即尽可能提供更多的约束。（3）当N个约束满秩但可能出现的负载和任何一个约束不相关，则这个负载有多个约束共同抵抗，对应机构构型设计，需要尽可能多的求得已知运动特征条件下的约束，然后根据完备性原则进行约束在支链的分配。（4）在机构构型设计中，对其刚度特性的考虑，还要结合实际的应用需求，即考虑机构刚度各项异性的需求；（5）增加冗余支链可有效提高机构刚度。.科学意义：本项目通过探索机构刚度特性与机构构型的关系，通过无量纲的方式表征机构的刚度特性，建立了机构构型与刚度的关系，同时也为基于性能的构型综合提供了新的思路。