广义并联机构构型设计理论与性能评价方法研究

The project aiming at the shortage of traditional parallel mechanism structure proposed study on more general generalized parallel mechanisms. The end effector of a generalized parallel mechanism is connected to the frame by a general kinematic chain that is constructed according to the mechanism composition principle, and the actuators of the mechanism are arranged on the kinematic pairs that are on the frame or close to the frame. Generalized parallel mechanisms are expected to maintain the advantages of the traditional parallel mechanisms, and to overcome the shortage of the traditional parallel mechanisms, so as to enhance and improve the overall performances of the parallel mechanisms. This project focuses on the research on type synthesis theory and method of the generalized parallel mechanisms, including research on number synthesis based on the loop theory, isomorphism identification methods based on the big data analysis technology and non-isomorphic mechanism type synthesis method, structural synthesis theory of generalized parallel mechanisms based on the finite displacement screw theory. Secondly study the analysis of kinematics and dynamics performance of generalized parallel the mechanisms, dimensional synthesis and type selection of the mechanisms based on multi-objective optimization theory. Finally, to meet the engineering requirements of multi-directional 3D printing, a prototype multi-directional printing robot will be designed in order to verify the excellent performances of a generalized parallel mechanism and the design theory and method. This research laid a theoretical foundation for further study of generalized parallel mechanisms and their engineering applications.

本项目针对传统并联机构结构上的不足，提出研究更具一般化的广义并联机构，广义并联机构的末端操作器和机架之间由符合机构组成原理的运动链相连，驱动器布置在机架或接近机架的运动副上，广义并联机构有望能保持传统并联机构的优点，并克服其不足，从而提高和改善并联机构的整体性能。项目着重研究广义并联机构的构型综合理论和方法，包括基于环路理论的数综合理论研究，基于大数据分析的运动链同构识别方法和无同构机构型综合方法的研究，基于有限位移螺旋理论的机构约束综合理论等；其次研究广义并联机构的运动学和动力学性能的分析，并在此基础上进行机构的优化选型和多目标优化尺度综合研究；最后结合多向3D打印的实际工程需求，设计多向3D打印并联机器人样机，验证广义并联机构的优良性能和所提出的设计理论和方法的正确性。本项目的研究为广义并联机构的进一步研究和工程应用奠定理论基础。

本项目针对目前并联机构的定义和构型综合中，人为地规定了并联机构的结构形式，实际干扰了型综合的本质规律，使大量符合机构组成原理的机构被排除在设计之外，提出并系统地研究了广义并联机构及其设计方法。.提出了一种广义并联机构结构设计的新方法。基于构件和运动副的排列组合的方法，利用拓扑胚图与欧拉公式相结合，从而构造所有的广义并联机构拓扑胚图。利用交换数组的方法对拓扑胚图进行同构识别。然后对得到的拓扑胚图进行简化和拆分。最后得到广义并联机构的基本单元——两级两环机构，并基于约束综合和虚功原理综合出了一系列开环串联支链和单环机构。然后提出构造两级两环机构的一般程序步骤，分析不同环路之间的相互约束作用，并在此基础上构造出一系列具有不同自由度的两级两环机构。.提出了基于螺旋理论和李群理论的广义并联机构构型综合方法。考虑大姿态工作空间的任务要求，提出在传统约束螺旋综合流程的基础上增加两个步骤，分别为构造具有相对独立转动轴线的铰接动平台，和利用修正的自由度公式判断局部自由度并构造冗余运动链。根据集合映射，建立了基于闭环运动链的广义并联机构的数学模型，进一步提出了基于闭环运动链的广义并联机构的构型综合方法和流程。推导出面解耦纯转动自由度的充要条件，建立了基于固定闭环链的广义并联机构综合的拓扑框架和数学模型，进而提出基于固定闭环链的广义并联机构的构型综合流程。.提出一种基于新型可重构单环闭链的可重构并联机构综合方法。将可重构单环闭链机构与固定自由度串联支链相组合，得到一类可重构混联支链。利用可重构混联支链连接运动平台和固定平台，得到一类新型可重构并联机构。其中一种为运动分岔并联机构，另一种为变胞并联机构。基于解耦单环闭链，将其与固定自由度串联支链相组合，得到一类变胞混联支链。利用变胞混联支链连接运动平台和固定平台，得到一类新型变胞并联机构，其可有效避免现有可重构并联机构重构过程中约束奇异和杆件重合与合并。