多自由度并聯(lián)式減振平臺的設計(編輯修改稿)
2025-02-12 15:03 本頁面
【文章內容簡介】 器?？傮w來看，主動懸架屬于力控制，需要直接提供控制力的能源, 耗能大、結構和控制技術較復雜, 成本較高，這些缺點限制了其在座椅上的應用。綜上所述，被動座椅懸架的研究集中在參數(shù)優(yōu)化和非線性彈性設計方面，主要通過調節(jié)彈性參數(shù)設定頻率來實現(xiàn)有效隔振，懸架參數(shù)不能實時調節(jié)，因此減振效果相對差些。半主動座椅懸架通過實時調節(jié)阻尼來實現(xiàn)最佳減振，隔9振效果相對被動懸架有較大提升。主動座椅懸架通過力控制實現(xiàn)對彈性與阻尼的聯(lián)合調節(jié)，效果最好, 但能耗大、成本高。目前來看半主動座椅懸架具有更好應用前景， 但是其缺點是只采用單一變阻尼方法，采用剛度和阻尼聯(lián)合調節(jié)有可能會較大改善隔振效果。 存在問題 多年來，人們曾采用特殊橡膠或塑料以期能達到多自由度減振的目的,但遺憾的是它們易老化,失去原來特性。 若采用常規(guī)單自由度彈性阻尼減振裝置，則需要多層結構組合，才能達到多自由度減振的目的，這種裝置為了達到相互不干涉，勢必使結構復雜。 基于 6 自由度并聯(lián)減振平臺結構已有初步研究，少自由度并聯(lián)減振裝置的系統(tǒng)研究剛剛開始，但應用于車輛座椅多維振動要求的少自由度減振座椅未見報道。 長期以來由于普通車輛座椅的減振裝置設計比較簡單，主要以簡單X 結構為主，其僅能完成豎直方向的減振，而對其他方向的振動則是束手無策。因此如果能夠設計出一種可以完成多維隔振的減振裝置，能夠減弱多個方向的振動，那么這個裝置一定具有十分重要的研究意義及應用前景。3 課題研究的內容與方法針對以上所分析的現(xiàn)狀及問題，結合已有的并聯(lián)減振平臺，本文針對三維減振平臺進行分析研究, 采用并聯(lián)機構作為減振平臺的主體機構, 從三維減振平臺機構以下幾個方面進行分析研究。 三維座椅減振平臺的主體結構車載座椅的三維減振平臺采用一個 3PRRP(4R)并聯(lián)機構和彈性阻尼裝置組成,并聯(lián)機構由上下平臺和 3 個單開鏈組成,每個單開支鏈均由單自由度的移動副或轉動副組成,上平臺與座椅相連,它相對于下平臺可產(chǎn)生 x 、y、z 3 個方向10的平移,在主動移動 P 副處安裝彈性阻尼減振器,這里采用空氣彈簧可調黏滯阻尼器,通過設計彈簧剛度可調整系統(tǒng)的固有頻率,通過可調阻尼器消耗車輛振動沖擊的能量來實現(xiàn)減振?？紤]機構設計的對稱性, 3 個支鏈對稱布置,且結構參數(shù)相同。座椅三維減振平臺簡圖見圖 6。這種結構的優(yōu)越性是, 它克服了各轉動副的間隙及累加誤差,可提高減振平臺的靈敏度。 可有利于各副恢復原來平衡位置狀態(tài), 有利于減振的衰減。 圖 6 座椅三維減振平臺簡圖 三維座椅減振平臺的運動學分析多自由度并聯(lián)機構屬于空間多環(huán)機構，因此，建立并聯(lián)機構動力學方程就是一個復雜而困難的工作。 機構的自由度計算該機構中,由于與動平臺相連的平行四桿機構存在虛約束, 故計算自由度時應去掉平行四桿中平行的桿及其兩端的兩個轉動副, 機構的自由度計算采用Kut zbachGrubler 公式, 即??????6)1(dfgnMgi式中, d 為機構階數(shù)。 λ 為機構公共約束數(shù)目。 n 為構件數(shù)。 g 為運動副11數(shù)。 為第 i 個運動副的相對自由度數(shù)。if 位置逆解分析運動學的逆解是在給定了已知的滿足某工作要求，機構參數(shù)確定的情況下，求解對應的各關節(jié)轉角。在下平臺和上平臺的形心分別建立固定參考系和動參考,取機構的單開鏈進行分析, 在桿長、動靜平臺半徑已知的情況下，逆解出相應關節(jié)的轉角。 機構的 Jacobian 矩陣分析Jacobian 矩陣是機器人學中的一個重要概念,它反映了機器人操作空間和關節(jié)空間之間的映射關系。機器人的許多性能指標如工作空間分析、可操作性度量、奇異性分析等都是通過 Jacobian 矩陣來分析計算的,同時它也是軌跡規(guī)劃、剛度和運動精度等的計算依據(jù)。通過 Jacobian 矩陣可以描述了機構的幾何特征。 三維座椅減振平臺的工作空間分析工作空間是指操作器末端端點所能達到的空間點的集合,它是衡量機器性能的重要指標之一。由于該并聯(lián)機構能夠實現(xiàn)三維平動,故動平臺相對靜平臺的姿態(tài)是固定的,所以該并聯(lián)結構的可達工作空間和靈活工作空間是重合的。并聯(lián)機構的工作空間分析依賴于機構位置逆解,通過位姿逆解可求出各關節(jié)變量,然后判定這些關節(jié)變量是否滿足約束條件,可搜索出機構的工作空間。該并聯(lián)機構的關節(jié)變量主要應滿足以下約束條件:(1)驅動桿長的約束。驅動桿是機構的主動件, 驅動桿的伸長范圍越大則機構的工作空間也越大,但是該減振平臺的驅動桿伸縮范圍有確定的極限值,根據(jù)主動副的行程及長度,計算出這里每個驅動桿的位移范圍。(2) 轉動副轉角的約束。由于受機構運動和結構安裝的限制,同時也考慮到機構運動過程中連桿轉動角的影響,機構中轉動副應有一定的轉動范圍。最后在 MATLAB 中通過坐標搜索,得到該并聯(lián)機構的工作空間。 三維座椅減振平臺的奇異位形分析奇異位形，也稱特殊位形，是機構的固有性質也是機器人機構的一個十分重要的運動學特性，機器人的運動、受力、控制以及精度等諸方面的性能都與12機構的奇異位形密切相關。因此有必要對并聯(lián)機構的奇異位形做更深入的研究，以減少和消除奇異位形的影響，進一步提高并聯(lián)機構的性能，促進并聯(lián)機構的實用化和產(chǎn)品化的發(fā)展。奇異位形是并聯(lián)機器人機構學研究的一項重要內容，同串聯(lián)機器人一樣，并聯(lián)機器人也存在奇異位形，當機構處于奇異位形時其Jacobian 矩陣為奇異陣，行列式值為零，此時機構速度反解不存在，存在某些不可控的自由度。另外當機構處于奇異位形附近時，關節(jié)驅動力將趨于無窮大從而造成并聯(lián)機器人的損壞，因此在設計和應用并聯(lián)機器人時應避開奇異位形。由于并聯(lián)機構在奇異位形位置時會使機構剛度喪失以及自由度發(fā)生變化、動力學性能惡化等,在設計和應用減振平臺時其工作位置應盡量避開奇異位形位置。有學者在研究了一般并聯(lián)機構的奇異位形問題后,根據(jù) Jacobian 矩陣行列式方程的不同形式,提出了三種類型的奇異位形,即邊界奇異、構形奇異和位形奇異。由于并聯(lián)機構的 Jacobian 矩陣是機構位姿的函數(shù),Jacobian 矩陣的奇異性分析是非常復雜的,這里通過 MA TLAB 的工作空間搜索,直接尋求滿足 det [ J] = 0 的點 ,如果是在工作空間內沒有找到 Jacobian 矩陣奇異的點,表明該并聯(lián)機構在可達的工作空間中均不存在奇異點。 三維座椅減振平臺的靈巧度分
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