[发明专利]一种二自由度七杆操作器的奇异构型识别方法

说明书

本发明公开了一种二自由度七杆操作器的奇异构型识别方法，从二自由度七杆操作器中选取五杆所组成的等效五杆具有原操作器的运动特性，当等效五杆处于奇异点位置即等效五杆中的三个被动关节共线时，其所等效的二自由度七杆操作器也必然处于奇异点位置。本发明从几何角度，简单直观地识别出二自由度七杆操作器的奇异构型。本发明为七杆操作器的识别提供了一种全新的方法，识别准确度好，效率高。

技术领域

本发明属于机械设计制造领域，涉及一种七杆操作器识别方法，具体涉及一种二自由度七杆操作器的奇异构型识别方法。

背景技术

机构的奇异性是指机构在运动到一定位置瞬间失去控制的状态，这一特性已经有多个学者进行了研究。Gosselin和Angles通过分类考虑机构输入和输出瞬时运动关系，确定了正向瞬时运动、反向瞬时运动和正反综合运动的三类奇异性问题是可以解决的。正向奇异点又称为死点，其与输入有关，在奇异点位置，机构会失去控制或者出现零自由度运动特性。输出与输入间的关系变得不确定。对于多自由度多环平面连杆机构的奇异性问题，不少学者也进行了较为深入的研究。基于雅可比矩阵，Gregorio，Sen和Mruthyunjaya结合瞬心和矩阵方程的概念分析了奇异性。Zlatanov，Fenton和Benhabib利用了速度方程来分析机构的奇异性。Bali和Chan提出了用七杆结构任意两奇异位形之间的变动的拓扑结构来分析其运动。方新国及他的团队同样地使用了速度矩阵讨论了二自由度七杆机构的奇异性问题。Wang与Ting等人提出一套通用的办法来分析二自由度七杆机构及多自由度连杆机构的奇异性。Yang及其团队利用了几何的方法分析了了三自由度八杆机构的正向奇异问题。Hahn及Shai运用了Assur链解释了一些独特机构与并联机器人的奇异特性。众所周知，等效四杆用于分析单自由度复杂平面连杆机构的奇异性，而对于二自由度平面连杆机构，其不能直接的应用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种简单可行的虚拟等效五杆法分析二自由度平面二自由度七杆操作器的奇异构型，从二自由度七杆操作器中选取五杆所组成的等效五杆具有原连杆操作器的运动特性，当等效五杆处于奇异点位置即等效五杆中的三个被动关节共线时，其所等效的二自由七杆结构也必然处于奇异点位置，此时为二自由度七杆操作器的奇异构型。

本发明所采用的技术方案是：

一种二自由度七杆操作器的奇异构型识别方法，其特征在于：从七杆结构中选取五杆所组成的等效五杆具有原操作器的运动特性，当等效五杆处于奇异点位置即等效五杆中的三个被动关节共线时，其所等效的七杆结构也必然处于奇异构型。

进一步的，所述的奇异构型识别方法包括以下步骤：

步骤1：找出二自由度七杆操作器的所有瞬心，通过Aronhold-Kennedy准则找出二自由度七杆操作器的21个瞬心；

步骤2：等效五杆的组成

等效五杆由原操作器中选取的五杆两两形成的瞬心形成的虚拟五环链，因此等效五杆包含两个输入关节，由机架和两个输入杆铰接形成，其余两杆要从原复杂操作器杆件中选取，这五杆能按一定顺序排列为机架，输入杆，连架杆和输出杆，其中连架杆和输出杆可为原二自由度七杆中的任意两杆；

等效五杆包含两个输入关节和三个被动关节，这些关节保证了该复杂连杆的第一顺序运动特性，因此如果二自由度七杆操作器对应的等效五杆机构处于奇异点位置时，该二自由度七杆操作器也应该处于奇异点位置，所以提出分析二自由度七杆操作器的奇异性准则如下：

对二自由度七杆操作器而言，其死点出现的条件是该操作器的等效五杆中的三个被动关节即非输入关节处在同一直线上，二自由度七杆操作器的任一等效五杆处在奇异点位置，则该二自由度七杆操作器一定也处于奇异点位置。

进一步的，所述二自由度七杆操作器的瞬心寻找方法如下：