3—RPS柔性并聯定位機構運動學分析與仿真

孟彩茹等

摘 要：對具有空間三自由度的3-RPS柔性并聯定位機構進行了運動學分析及仿真。首先，以3-RPS并聯機構為基礎，將機構中的運動副用柔性鉸鏈代替，研制了一臺具有三自由度的精密定位機構；其次采用“偽剛體模型”方法將該精密定位工作臺等效為偽剛體模型，利用齊次坐標變換方法和矢量閉環方法構建其逆運動學模型；最后，利用軟件RecurDyn進行仿真分析，測量出其位移與速度隨時間的變化曲線進行驗證。結果表明所建立的機構理論模型合理，且機構具有良好的運動學性能。

關鍵詞：柔性并聯機構；偽剛體模型；運動學

引言

隨著納米技術的興起與迅猛發展，具有高分辨率和高精度的超精密定位機構在近代科學的研究領域以及尖端工業生產中都扮演著越來越重要的角色，它的各項技術指標已經成為各國高新技術發展水平的重要標志[1]。

運動學分析是機械系統分析中的首要問題。并聯機構的運動學分析主要包括求解機構的輸入與輸出構件之間的位置、速度以及加速度的關系[2]。全柔性機構的首要目標就是精確實現所需的運動，因此對其運動學的研究在機構學領域占有重要的地位[3]。

1 機構描述

如圖1所示為3-RPS空間三自由度柔性并聯定位機構的仿真模型。該機構的定平臺與動平臺通過三條完全相同的RPS支鏈相連。壓電陶瓷驅動器位于三個平行板式柔性鉸鏈中，通過平行板式柔性鉸鏈的變形來帶動與之相連的桿件進行運動，從而達到驅動整個柔性并聯機構實現空間運動的目的。

2 建立偽剛體模型及分析

普渡大學的Her I為了體系化的研究柔性機構問題，提出了“偽剛體模型”的概念，該方法是將柔性桿與柔性運動副等效簡化為相應的剛性桿、剛性運動副所組成的純剛性模型，再利用剛性體結構學及運動學對機構進行分析和綜合[4]。

2.1 機構自由度計算

2.2 運動學逆解分析

用封閉向量表示，如圖3所示

2.3 速度分析

3 基于RecurDyn的運動學仿真

3.1 基于ANSYS創建*.rfi文件

在ANSYS軟件中基于CMS生成RFI文件包括如下四步：

（1）在ANSYS中建立有限元模型：用SOLIDWORKS軟件建立柔性鉸鏈實體模型，將其導入ANSYS里，選擇求解精度較高的Solid45單元，它是一種高階單元，適于各種較復雜的實體模型。一般選用鋼作為制造柔性鉸鏈材料，這里均采用45號鋼，在ANSYS中對應的材料彈性模量為2.1e11Pa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。最后進行網格劃分。

3.2 基于RFlex進行剛柔混合系統仿真

4 結束語

（1）對該機構建立了“偽剛體模型”，并對其進行了運動學求解，建立了逆解、速度模型，在此基礎上，對該機構進行運動學仿真分析。（2）利用多體系統動力學軟件RecurDyn提供的RFlex方法對機構進行運動學仿真。在仿真結束后，測量出了各支鏈的位移，速度的數據和曲線。為該柔性并聯定位機構的后續研發提供了可靠的數據。

參考文獻

[1]黃真，孔令富，方躍法.并聯機器人機構學理論及控制[M].北京：機械工業出版社，1997.

[2]王國強，張進平，馬若丁.虛擬樣機技術及其在ADAMS上的實踐[M].西安：西北工業大學出版社，2002.

[3]賈曉輝.面向納米壓印光刻設備的精密定位工作臺的設計方法與實驗[D].天津：天津大學出版社，2010.

[4]楊啟志，馬履中，謝俊，等.三平移全柔性并聯微動機器人機構靜力學分析[J].農業機械學報，2007，38（11）：110-113.

作者簡介：孟彩茹（1980-），女，河北省無極人，講師，博士，主要從事工程機械開發與應用以及機電系統計算機技術與應用方面的研究。endprint

摘 要：對具有空間三自由度的3-RPS柔性并聯定位機構進行了運動學分析及仿真。首先，以3-RPS并聯機構為基礎，將機構中的運動副用柔性鉸鏈代替，研制了一臺具有三自由度的精密定位機構；其次采用“偽剛體模型”方法將該精密定位工作臺等效為偽剛體模型，利用齊次坐標變換方法和矢量閉環方法構建其逆運動學模型；最后，利用軟件RecurDyn進行仿真分析，測量出其位移與速度隨時間的變化曲線進行驗證。結果表明所建立的機構理論模型合理，且機構具有良好的運動學性能。

關鍵詞：柔性并聯機構；偽剛體模型；運動學

引言

隨著納米技術的興起與迅猛發展，具有高分辨率和高精度的超精密定位機構在近代科學的研究領域以及尖端工業生產中都扮演著越來越重要的角色，它的各項技術指標已經成為各國高新技術發展水平的重要標志[1]。

運動學分析是機械系統分析中的首要問題。并聯機構的運動學分析主要包括求解機構的輸入與輸出構件之間的位置、速度以及加速度的關系[2]。全柔性機構的首要目標就是精確實現所需的運動，因此對其運動學的研究在機構學領域占有重要的地位[3]。

1 機構描述

如圖1所示為3-RPS空間三自由度柔性并聯定位機構的仿真模型。該機構的定平臺與動平臺通過三條完全相同的RPS支鏈相連。壓電陶瓷驅動器位于三個平行板式柔性鉸鏈中，通過平行板式柔性鉸鏈的變形來帶動與之相連的桿件進行運動，從而達到驅動整個柔性并聯機構實現空間運動的目的。

2 建立偽剛體模型及分析

普渡大學的Her I為了體系化的研究柔性機構問題，提出了“偽剛體模型”的概念，該方法是將柔性桿與柔性運動副等效簡化為相應的剛性桿、剛性運動副所組成的純剛性模型，再利用剛性體結構學及運動學對機構進行分析和綜合[4]。

2.1 機構自由度計算

2.2 運動學逆解分析

用封閉向量表示，如圖3所示

2.3 速度分析

3 基于RecurDyn的運動學仿真

3.1 基于ANSYS創建*.rfi文件

在ANSYS軟件中基于CMS生成RFI文件包括如下四步：

（1）在ANSYS中建立有限元模型：用SOLIDWORKS軟件建立柔性鉸鏈實體模型，將其導入ANSYS里，選擇求解精度較高的Solid45單元，它是一種高階單元，適于各種較復雜的實體模型。一般選用鋼作為制造柔性鉸鏈材料，這里均采用45號鋼，在ANSYS中對應的材料彈性模量為2.1e11Pa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。最后進行網格劃分。

3.2 基于RFlex進行剛柔混合系統仿真

4 結束語

（1）對該機構建立了“偽剛體模型”，并對其進行了運動學求解，建立了逆解、速度模型，在此基礎上，對該機構進行運動學仿真分析。（2）利用多體系統動力學軟件RecurDyn提供的RFlex方法對機構進行運動學仿真。在仿真結束后，測量出了各支鏈的位移，速度的數據和曲線。為該柔性并聯定位機構的后續研發提供了可靠的數據。

參考文獻

[1]黃真，孔令富，方躍法.并聯機器人機構學理論及控制[M].北京：機械工業出版社，1997.

[2]王國強，張進平，馬若丁.虛擬樣機技術及其在ADAMS上的實踐[M].西安：西北工業大學出版社，2002.

[3]賈曉輝.面向納米壓印光刻設備的精密定位工作臺的設計方法與實驗[D].天津：天津大學出版社，2010.

[4]楊啟志，馬履中，謝俊，等.三平移全柔性并聯微動機器人機構靜力學分析[J].農業機械學報，2007，38（11）：110-113.

作者簡介：孟彩茹（1980-），女，河北省無極人，講師，博士，主要從事工程機械開發與應用以及機電系統計算機技術與應用方面的研究。endprint

摘 要：對具有空間三自由度的3-RPS柔性并聯定位機構進行了運動學分析及仿真。首先，以3-RPS并聯機構為基礎，將機構中的運動副用柔性鉸鏈代替，研制了一臺具有三自由度的精密定位機構；其次采用“偽剛體模型”方法將該精密定位工作臺等效為偽剛體模型，利用齊次坐標變換方法和矢量閉環方法構建其逆運動學模型；最后，利用軟件RecurDyn進行仿真分析，測量出其位移與速度隨時間的變化曲線進行驗證。結果表明所建立的機構理論模型合理，且機構具有良好的運動學性能。

關鍵詞：柔性并聯機構；偽剛體模型；運動學

引言

隨著納米技術的興起與迅猛發展，具有高分辨率和高精度的超精密定位機構在近代科學的研究領域以及尖端工業生產中都扮演著越來越重要的角色，它的各項技術指標已經成為各國高新技術發展水平的重要標志[1]。

運動學分析是機械系統分析中的首要問題。并聯機構的運動學分析主要包括求解機構的輸入與輸出構件之間的位置、速度以及加速度的關系[2]。全柔性機構的首要目標就是精確實現所需的運動，因此對其運動學的研究在機構學領域占有重要的地位[3]。

1 機構描述

如圖1所示為3-RPS空間三自由度柔性并聯定位機構的仿真模型。該機構的定平臺與動平臺通過三條完全相同的RPS支鏈相連。壓電陶瓷驅動器位于三個平行板式柔性鉸鏈中，通過平行板式柔性鉸鏈的變形來帶動與之相連的桿件進行運動，從而達到驅動整個柔性并聯機構實現空間運動的目的。

2 建立偽剛體模型及分析

普渡大學的Her I為了體系化的研究柔性機構問題，提出了“偽剛體模型”的概念，該方法是將柔性桿與柔性運動副等效簡化為相應的剛性桿、剛性運動副所組成的純剛性模型，再利用剛性體結構學及運動學對機構進行分析和綜合[4]。

2.1 機構自由度計算

2.2 運動學逆解分析

用封閉向量表示，如圖3所示

2.3 速度分析

3 基于RecurDyn的運動學仿真

3.1 基于ANSYS創建*.rfi文件

在ANSYS軟件中基于CMS生成RFI文件包括如下四步：

（1）在ANSYS中建立有限元模型：用SOLIDWORKS軟件建立柔性鉸鏈實體模型，將其導入ANSYS里，選擇求解精度較高的Solid45單元，它是一種高階單元，適于各種較復雜的實體模型。一般選用鋼作為制造柔性鉸鏈材料，這里均采用45號鋼，在ANSYS中對應的材料彈性模量為2.1e11Pa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。最后進行網格劃分。

3.2 基于RFlex進行剛柔混合系統仿真

4 結束語

（1）對該機構建立了“偽剛體模型”，并對其進行了運動學求解，建立了逆解、速度模型，在此基礎上，對該機構進行運動學仿真分析。（2）利用多體系統動力學軟件RecurDyn提供的RFlex方法對機構進行運動學仿真。在仿真結束后，測量出了各支鏈的位移，速度的數據和曲線。為該柔性并聯定位機構的后續研發提供了可靠的數據。

參考文獻

[1]黃真，孔令富，方躍法.并聯機器人機構學理論及控制[M].北京：機械工業出版社，1997.

[2]王國強，張進平，馬若丁.虛擬樣機技術及其在ADAMS上的實踐[M].西安：西北工業大學出版社，2002.

[3]賈曉輝.面向納米壓印光刻設備的精密定位工作臺的設計方法與實驗[D].天津：天津大學出版社，2010.

[4]楊啟志，馬履中，謝俊，等.三平移全柔性并聯微動機器人機構靜力學分析[J].農業機械學報，2007，38（11）：110-113.

作者簡介：孟彩茹（1980-），女，河北省無極人，講師，博士，主要從事工程機械開發與應用以及機電系統計算機技術與應用方面的研究。endprint