专利名称：动态各向同性广义Stewart容错并联机构及其设计方法
技术领域：
本发明涉及一种并联机构及其设计方法,具体涉及动态各向同性广义Stewart容错并联机构及其设计方法。
背景技术：
为完成航天器中继、高分辨率观察、机载激光器、微操作机器人等精密及指向需求，所应用的精S定位及指向系统必须具有精S的指向精度，闻响应的振动隔尚及振动抑制能力。Stewart并联机构具有刚度大、结构稳定、承载能力强、精度高和动态特性好的特点，对6自由度方向上的扰动能够进行隔离和抑制，已发展成为精密定位及指向应用的新技术。目前广泛应用的标准Stewart并联机构，其自由度间存在运动学及动力学耦合，满足特定应用的优化设计和高精度控制实现仍然比较困难。更为重要的是，精密及指向的并联机构要求精密指向、振动隔离及抑制功能，其性能指标与机构结构和控制系统设计密切相关。因此，设计阶段考虑动态和控制性能极为重要。理论上，非冗余Stewart并联机构具有6个驱动支腿，执行末端在空间上具有6个自由度，完全能够满足精密定位机及指向应用的自由度需求。但对于这些应用来说，可靠性和安全性更为重要，即要求驱动支腿工作完全可靠，保证并联机构的逆Jacobian阵满秩。设计的非冗余并联机构尽管在工作空间内无奇异，却保证不了某一支腿或若干支腿失效后仍保证系统的本质安全。
发明内容
本发明为解决现有非冗余并联机构在一支腿或若干支腿失效后，不能保证其系统的本质安全的问题，进而提出一种动态各向同性广义Stewart容错并联机构设计方法。本发明为解决上述问题采取的技术方案是本发明包括下平台、上平台、第一支腿、第二支腿、第三支腿、第三支腿、第五支腿、第六支腿、第七支腿、第八支腿、八个上铰组件和八个下铰组件，第一支腿的上端、第三支腿的上端、第五支腿的上端、第七支腿的上端分别各通过一个上铰组件安装在上平台上半径为ral的第一上铰圆的圆周上，第一支腿的下端、第三支腿的下端、第五支腿的下端、第七支腿的下端分别各通过一个下铰组件安装在下平台上半径为rbl的第一下铰圆的圆周上，第二支腿的上端、第四支腿的上端、第六支腿的上端、第八支腿的上端分别各通过一个上铰组件安装在上平台上半径为ra2的第二上铰圆的圆周上，第二支腿的下端、第四支腿的下端、第六支腿的下端、第八支腿的下端分别各通过一个下铰组件安装在下平台上半径为rb2的第二下铰圆的圆周上。本发明所述动态各向同性广义Stewart容错并联机构的设计方法的具体步骤如下步骤一、根据负载质量几何特性及安装要求选择机构构型，以第一下铰圆的几何中心为惯性坐标系原点0B，第一上铰圆与第一下铰圆连接的第八支腿与第一支腿夹角平分线为惯性坐标系的Xb轴，经过第一下铰圆圆心的法向方向向上的直线为Zb轴，按右手定则定义Yb轴，建立三维直角坐标系；步骤二、确定广义Stewart容错并联机构的构型，当ral < ra2, rbl < rb2时,此时并联机构为1C-1C型机构；当ral = ra2, rbl < rb2时,此时并联机构为1C-2C型机构；当ral
权利要求
1.动态各向同性广义Stewart容错并联机构,其特征在于所述动态各向同性广义 Stewart容错并联机构包括下平台(I)、上平台(2)、第一支腿、第二支腿、第三支腿、第三支腿、第五支腿、第六支腿、第七支腿、第八支腿、八个上铰组件(3)和八个下铰组件(4)，第一支腿的上端、第三支腿的上端、第五支腿的上端、第七支腿的上端分别各通过一个上铰组件(3)安装在上平台(2)上半径为ral的第一上铰圆的圆周上，第一支腿的下端、第三支腿的下端、第五支腿的下端、第七支腿的下端分别各通过一个下铰组件(4)安装在下平台(I)上半径为rbl的第一下铰圆的圆周上，第二支腿的上端、第四支腿的上端、第六支腿的上端、第八支腿的上端分别各通过一个上铰组件(3)安装在上平台(2)上半径为ra2的第二上铰圆的圆周上，第二支腿的下端、第四支腿的下端、第六支腿的下端、第八支腿的下端分别各通过一个下铰组件(4)安装在下平台(I)上半径为rb2的第二下铰圆的圆周上。
2.根据权利要求1所述动态各向同性广义Stewart容错并联机构，其特征在于下铰组件(4)为球铰、虎克铰或弹性铰，上铰组件(4)为球铰、虎克铰或弹性铰。
3.根据权利要求1所述动态各向同性广义Stewart容错并联机构,其特征在于第一支腿、第二支腿、第三支腿、第四支腿、第五支腿、第六支腿、第七支腿、第八支腿均为伺服液压缸线性制动器或伺服电动缸线性制动器。
4.一种权利要求1所述并联机构的设计方法，其特征在于所述动态各向同性广义Stewart容错并联机构的设计方法的具体步骤如下 步骤一、根据负载质量几何特性及安装要求选择机构构型，以第一下铰圆的几何中心为惯性坐标系原点Ob，第一上铰圆与第一下铰圆连接的第八支腿与第一支腿夹角平分线为惯性坐标系的Xb轴，经过第一下铰圆圆心的法向方向向上的直线为Zb轴，按右手定则定义Yb轴，建立三维直角坐标系； 步骤二、确定广义Stewart容错并联机构的构型，当ral < ra2,rbl < rb2时,此时并联机构为1C-1C型机构；当ral = ra2, rbl < rb2时,此时并联机构为1C-2C型机构；当ral < ra2,rbl = rb2时,此时并联机构为2C-1C型机构；iral = ra2,rbl = rb2时,此时并联机构为2C-2C型机构，ra2表示第二上铰圆的半径，rb2表示第二下铰圆的半径，ral表示第一上铰圆半径，rbl表不第一下铰圆半径； 步骤三、基于PSO优化算法求解设计变量采用多目标优化的粒子群PSO 算法求解目标函数Fm
5.根据权利要求4所述动态各向同性广义Stewart容错并联机构的设计方法,其特征在于步骤二中多目标优化的粒子群pso算法求解目标函数Fmn = Ia-^)2的方法为 PSO搜索空间为D维，当P =1时0 = 6，P古I时D = 7，PSO种群的粒子数为N，N < 50，第i粒子的位置表示为D维，P = I 时 Xi = (xn, Xil,…，xi6) = ( a「旦工，a2-^2, rbl, n, p, q),P 古 I 时 Xi = (xn, Xil,…，xi7) = ( a j, a 2-旦 2，rbl, P , n, p, q)； 第i粒子的速度表示为D维向量Vi= (vn,vn,…，viD);第1粒子的“飞行”历史中的过去最优解位置PBest为Pi = (pn，pn,…，口^)，其中所有？力=1，…，N)中的最优个体被记作Pg，每个粒子的位置按如下公式进行变化 ViJ+1 = WVi^ciri [Pij-XijJ +c2r2 [P^'-X^']②，XiJ+1 = XiW+1 ③， 公式②、③中W表示惯性因子，初始惯性因子W = 0. 8，最终惯性因子取W = 0. 2, C1, C2表示加速因子，为正常数，C1 = C2 =1. 2, I^r2表示
之间的随机数， 第d维的位置变化范围和速度变化范围分别为[_xd,min，XdjmaJ和[_Vd,min，Vd,max]，迭代中若某一维的某个粒子的位置或速度超过边界，则取边界值，粒子群的初始位置和速度随机产生，然后按公式②和③进行迭代，直到满足停止条件。
6.根据权利要求5所述动态各向同性广义Stewart容错并联机构的设计方法,其特征在于按公式②和③进行迭代时，当相邻迭代结果保持10次不变即终止迭代，或迭代的最大终止残差小于等于le-6，以及最大迭代次数500次时终止迭代。
全文摘要
动态各向同性广义Stewart容错并联机构及其设计方法，它涉及一种并联机构及其设计方法，具体涉及动态各向同性广义Stewart容错并联机构及其设计方法。本发明为了解决现有非冗余并联机构在一支腿或若干支腿失效后，不能保证其系统的本质安全的问题。本发明的第二支腿的上端、第四支腿的上端、第六支腿的上端、第八支腿的上端分别各通过一个上铰组件安装在上平台上半径为ra2的第二上铰圆的圆周上，第二支腿的下端、第四支腿的下端、第六支腿的下端、第八支腿的下端分别各通过一个下铰组件安装在下平台上半径为rb2的第二下铰圆的圆周上。本发明用于航空航天领域。
文档编号B25J9/16GK103009375SQ20121050449
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者佟志忠, 姜洪洲, 何景峰, 段广仁 申请人:哈尔滨工业大学