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基于拉格朗日的冗余驱动并联机构刚体动力学建模--第1页
基于拉格朗日的冗余驱动并联机构刚体动力学建模
陈修龙;孙德才;王清
【摘要】针对4-UPS-RPU4自由度冗余驱动并联机构的刚体动力学建模问题,基
于拉格朗日方程建立冗余驱动并联机构动力学模型.首先,推导出4-UPS-RPU冗余
驱动并联机构系统的动能表达式、势能表达式和作用于并联机构非保守力的等效广
义力;然后,应用拉格朗日法建立4-UPS-RPU冗余驱动并联机构的动力学模型,为并
联机构驱动力的求解以及整个机构的动力学分析奠定基础;最后结合算例,采用
Matlab编程对动力学模型进行数值计算并绘制了机构驱动杆驱动力变化曲线,将上
述分析结果与ADAMS虚拟仿真结果对比验证了所建动力学模型的正确性.研究不
仅为4-UPS-RPU4自由度冗余驱动并联机构动力学优化设计和控制等后续研究提
供了理论依据,也为其他冗余驱动并联机构的动力学建模提供了可行的方法.
【期刊名称】《农业机械学报》
【年(卷),期】2015(046)012
【总页数】8页(P329-336)
【关键词】冗余驱动并联机构;刚体动力学模型;拉格朗日方法;4自由度
【作者】陈修龙;孙德才;王清
【作者单位】山东科技大学机械电子工程学院,青岛266590;山东科技大学机械电
子工程学院,青岛266590;山东科技大学土木工程与建筑学院,青岛266590
【正文语种】中文
【中图分类】TP241;TH112
基于拉格朗日的冗余驱动并联机构刚体动力学建模--第1页
基于拉格朗日的冗余驱动并联机构刚体动力学建模--第2页
冗余驱动并联机构是输入构件数目多于输出构件自由度数的并联机构,由于它具有
更大的承载能力、更高刚度和更高的定位精度等,受到了工业界和学者们的广泛关
注,已成为国际机器人和机构学领域的研究热点[1-4]。
并联机构的刚体动力学模型是动力学性能分析评价、优化设计和控制的基础,一直
是国内外学者的研究重点和难点,迄今已形成了基于牛顿-欧拉法、虚功原理和凯
恩方程法等的并联机构动力学建模方法[5-9]。目前虽然国内外学者对非冗余并联
机构的刚体动力学进行了较深入研究,取得了一批有价值的研究成果,但针对冗余
驱动并联机构刚体动力学建模的研究还相对较少[10-15],已有的研究大都是基于
牛顿-欧拉和凯恩法的建模方法[16]。牛顿-欧拉法适合于简单系统的动力学建模,
推导过程烦琐,计算量较大;凯恩法较难理解和掌握,计算过程复杂。拉格朗日方
法是适用于复杂系统的一种动力学建模方法,它从能量的角度出发,推导过程简便,
得到的动力学方程形式相对简单,物理意义明确。因此需要建立一套适用于冗余驱
动空间并联机构的刚体动力学拉格朗日建模方法,以推动冗余驱动并联机构的发展
与实际应用。
本文以4-UPS-RPU二维移动二维转动4自由度冗余驱动并联机构为研究对象,分
析该机构系统的动能、势能和非保守力的等效广义力,在此基础上,采用拉格朗日
方程建立该机构的刚体动力学模型,并利用理论数值分析与虚拟样机仿真相结合的
方法验证模型的正确性。
4-UPS-RPU并联机构由动平台、定平台和连接动平台和定平台的5个分支组成
(图1),定平台通过4个结构完全相同的驱动分支UPS(虎克铰-移动副-球副)以及
另一个驱动分支RPU(转动副-移动副-虎克铰)与动平台相连接,是目前少有的4自
由冗余驱动并联机构构型,具有广阔的应用前景。
冗余驱动4-UPS-RPU并联机构动平台的动能为
冗余驱动4-UPS-RPU并联机构的UPS驱动
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