并联机构运动学能分析与优化动力学分类号：TH113.2+2 密级：公开U D C：单位代码：10424工程硕士学位论文4-UPS-RPS并联机构运动学性能分析与优化孙先洋申请学位级别：硕士学位领域名称：机械工程指导教师姓名：陈修龙职称：副教授副指导教师姓名：朱苏宁职称：高级工程师山东科技大学二零一三年五月论文题目：4-UPS-RPS并联机构运动学性能分析与优化作者姓名：孙先洋入学时间：2011年9月领域名称：机械工程研究方向：先进设计与制造技术指导教师：陈修龙职称：副教授副指导教师：朱苏宁职称：高级工程师论文提交日期：2013年5月论文答辩日期：2013年6月8日授予学位日期：KINEMATICS PERFORMANCE ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF 4-UPS-RPS PMTA Dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the degree ofMASTER OF ENGINEERINGfromShandong University of Science and TechnologybySun XianyangSupervisor: Associate Professor Chen XiulongCollege of Mechanical and Electronic EngineeringMay 2013声明本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。
该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。
硕士生签名：日期：AFFIRMATIONI declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Engineering in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been submitted for qualification at any other academic institute.Signature:Date:摘要本文以一种新型五自由度并联机构—4-UPS-RPS并联机构作为研究对象，对其位置反解、运动学及其性能、结构参数优化设计等方面进行了全面系统的研究。
对4-UPS-RPS并联机构的结构进行了介绍，利用Kutzbach Grubler公式计算出了机构的自由度数；建立了位置反解数学模型，并进行了运动反解分析，完成了刀位数据的坐标转换；对机构进行虚拟运动仿真，用球坐标搜索法确定了该并联机构的工作空间。
推导出了该并联机构的力雅克比矩阵和速度雅克比矩阵，对速度和加速度进行了分析，通过对比Matlab数值计算和Adams虚拟仿真的结果，相互验证了反解数学模型和雅克比矩阵的正确性。
定义了力和力矩灵巧度评定指标、速度加速度评定指标，对平均条件数、最小奇异值和可操作性三个灵巧度评定指标进行了分析，并对以上指标进行了三维可视化仿真分析。
综合以上指标，定义了一个综合评定指标—平方平均灵巧度系数指标，并基于平方平均灵巧度系数指标对并联机构进行了结构优化分析，得到了动平台和定平台铰链点分布角及其所在圆半径的最优参数。
关键词：并联机构，工作空间，雅克比矩阵，运动学分析，结构优化ABSTRACTThis article put a new five-axis 4-UPS-RPS PMT as the research object, and its position reverse solution, kinematics and performance, structural parameters’ optimization are studied comprehensively and systematically.The composition of the 4-UPS-RPS PMT is introduced, and use the Kutzbach Grubler formula to calculate the degree of freedom.Position reverse solution of mathematical model is established, the reverse kinematics and the cutter location data’s conversion are completed. The motion simulation of the PMT is finished. Then analyzing the working space of the PMT with the spherical coordinates search method.The force Jacobian matrix and velocity Jacobian matrix are identified, then analyze the velocity and acceleration. Based on the results of numerical calculation and simulation with the Matlab and Adams, the inverse solution model and the Jacobian matrix are verified. Defining the force and moment dexterity evaluation index, velocity and acceleration dexterity evaluation index. The average condition number, the smallest singular value ,operation dexterity evaluation index are analyzed. All of the dexterity evaluation index above are analyzed visually.Defining a comprehensive index: the square mean dexterity coefficient, and optimize he structural of PMT base on the new index, obtain the optimal parameter of the the joints’distribution position angle and the circle radius on the moving platform and stationary platform.Key words: parallel mechanism, work space, Jacobian matrix, kinematics analysis, structure optimization目录摘要 (3)ABSTRACT (4)目录 (5)Contents (7)第一章绪论 (1)1.1 并联机构的发展概况 (1)1.2 并联机构的理论研究现状 (6)1.3 课题的研究意义 (8)1.4 本文研究的主要内容 (8)第二章4-UPS-RPS并联机构运动学分析 (10)2.1 引言 (10)2.2 4-UPS-RPS并联机构描述 (10)2.3 4-UPS-RPS并联机构反解分析 (12)2.4 工作空间三维表示 (19)2.5 本章小结 (26)第三章4-UPS-RPS并联机构运动学性能分析 (27)3.1 引言 (27)3.2 并联机构的雅克比矩阵 (27)3.3 并联机构灵巧度的评定指标 (38)3.4 并联机构的灵巧度分析 (40)3.5 本章小结 (59)第四章4-UPS-RPS并联机构结构优化设计 (60)4.1 引言 (60)4.2 灵巧度的综合评定指标 (60)4.3 结构优化设计 (64)4.4 本章小结 (70)第五章结论与展望 (71)5.1 结论 (71)5.2 展望 (71)致谢 (72)参考文献 (73)攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况 (78)Contents摘要 (3)ABSTRACT (4)目录 (5)Contents (7)第一章绪论 (1)1.1 并联机构的发展概况 (1)1.2 并联机构的理论研究现状 (6)1.3 课题的研究意义 (8)1.4 本文研究的主要内容 (8)第二章4-UPS-RPS并联机构运动学分析 (10)2.1 引言 (10)2.2 4-UPS-RPS并联机构描述 (10)2.3 4-UPS-RPS并联机构反解分析 (12)2.4 工作空间三维表示 (19)2.5 本章小结 (26)第三章4-UPS-RPS并联机构运动学性能分析 (27)3.1 引言 (27)3.2 并联机构的雅克比矩阵 (27)3.3 并联机构灵巧度的评定指标 (38)3.4 并联机构的灵巧度分析 (40)3.5 本章小结 (59)第四章4-UPS-RPS并联机构结构优化设计 (60)4.1 引言 (60)4.2 灵巧度的综合评定指标 (60)4.3 结构优化设计 (64)4.4 本章小结 (70)第五章结论与展望 (71)5.1 结论 (71)5.2 展望 (71)致谢 (72)参考文献 (73)攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况 (78)第一章绪论1.1 并联机构的发展概况并联机构（Parallel Mechanism,简称PM）是由动平台和定平台通过两个或两个以上的运动链连接形成的闭环机构[1]。
它具有累计误差小、结构刚性大、承载力较强、动态响应好、末端质量轻等优点，被广泛应用于并联机床、工业机器人、运动模拟器、微操作机器人、传感器等设备中。
关于并联机构的研究理论很早就开始了[2-6]。
最早可以追溯到1897年，Bricard对一些球面并联机构进行了研究。
1931年，J. E. Gwinnett发明了一台基于球面并联机构的娱乐设备；1962年V. E. Gough和Whitehall共同发明了一种六自由度的机器人，该并联机构被用于轮胎检测装置。