【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及重载多自由度成形装置构型设计领域，更具体地说，涉及一种单动力源重载多自由度成形装置构型设计方法。
技术介绍
1、相较于串联机构，并联机构的多链闭环结构使其具备承载能力强、刚度大、精度高等优点，特别适用于重载成形装置的执行系统。重载成形装置研发的首要任务是设计符合运动自由度/运动轨迹需求的构型，即并联机构构型综合。目前，多种型综合方法被学者提出，主要包括基于旋量理论、位移群理论、虚拟环路法和poc集方法等。上述方法综合的并联机构通常配置多个执行器来实现精确和任意的空间运动，导致机械和控制系统复杂，成本高。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题在于，提供一种单动力源重载多自由度成形装置构型设计方法，该方法可以实现单动力源重载多自由度成形装置的构型综合及尺度综合，在实现特定需求运动的同时，保证了装置的低控制、低成本、高速度。
2、本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种单动力源重载多自由度成形装置构型设计方法，包括以下步骤：
3、s1、根据特定空间运动轨迹，确定单动力源重载多自由度成形装置动平台的运动自由度需求，构建运动平台与驱动器之间的广义映射模型，推导单动力源重载多自由度成形装置的设计约束条件；
4、s2、基于单动力源重载多自由度成形装置动平台的自由度需求与旋量系互易关系，建立机构运动旋量系、约束旋量系，在此基础上确立单动力源重载多自由度成形装置的支链约束旋量系及运动旋量系；
5、s3、结合单动力源重载
6、s4、任取等自由度数目的支链进行组装，综合出全部全对称的单动力源重载多自由度成形装置构型；
7、s5、建立特定构型下单动力源重载多自由度成形装置全局速度雅可比矩阵，基于全局运动误差最小化优化可变结构参数；
8、s6、最终得到满足特定运动轨迹的单动力源重载多自由度成形装置构型及参数。
9、按上述方案，在所述步骤s1中，空间任意运动用运动旋量来表征，公式如下：
10、
11、式中，smp表示特定空间运动的运动旋量系统，smpi表示空间运动的旋量；特定空间运动的旋量系统的秩为所需装置的自由度；根据机构运动平台与驱动关节的映射关系，确定单动力源重载多自由度成形装置的运动约束条件；基于旋量理论，机构运动平台与支链关节运动关系表示为：
12、
13、式中，sp表示运动平台的运动旋量，表示第i支链中第j关节的单位运动旋量，ξij表示第i支链中第j关节的瞬时速度幅值；
14、运动平台运动与驱动关节的速度关系为：
15、
16、式中，表示机构第i支链的驱动力旋量；
17、定义单动力源重载多自由度成形装置运动平台的输出速度与执行器的输入速度的关系为：
18、
19、根据公式(4)，确定单动力源重载多自由度成形装置的设计约束条件。
20、按上述方案，单动力源重载多自由度成形装置的设计约束条件包括：
21、(1)单动力源重载多自由度成形装置的支链必须是耦合的；
22、(2)单动力源重载多自由度成形装置的驱动关节为驱动移动关节、驱动摇杆关节或驱动曲柄关节；当输出运动为周期循环运动时，驱动关节为曲柄；
23、(3)主动支链的数量等于输出运动的自由度。
24、按上述方案，在所述步骤s2中，进行单动力源重载多自由度成形装置的构型过程，球面转动运动的运动旋量表示为：
25、
26、基于旋量互易关系，机构运动平台的约束旋量系表示为：
27、
28、机构运动平台的约束旋量系与支链的约束旋量系满足如下关系：
29、
30、式中，表示第i支链的约束旋量系；
31、结合公式(6)和(7)，面向球面机构的支链约束旋量系表示为：
32、
33、支链的运动旋量系表示为：
34、
35、将式(11)、(12)和(13)中的运动螺钉进行线性组合，即得满足运动要求的肢体。
36、按上述方案，在所述步骤s4中，单动力源重载多自由度成形装置由以下两种方式构成：(1)任取3条支链自由度为3/4/5的支链组成；(2)任取3条自由度为6的支链为主动支链再选择一条自由度为3支链为被动支链组成。
37、按上述方案，在所述步骤s5中，根据杆长不变条件，几何约束条件表示为：
38、
39、式中，表示rss支链中上球铰的位置矢量，bi表示下球铰的位置矢量；
40、构建机构速度雅可比矩阵如下：
41、
42、按上述方案，根据运动学分析，影响运动精度的结构参数总数为16个，包括转动副r分布半径ra及角度αi,上、下球铰分布半径rb、rc及角度βi、γi，杆长li以及动平台高度h；简化的参数组表达如下：
43、pset＝{ra rb rc l}
44、
45、准确实现既定运动是优化设计的总目标；
46、min f＝max(|g(ra,rb,rc,l)-f|β∈[0,2π])
47、
48、按上述方案，在所述步骤s6中，定点运动表示为：
49、
50、定点运动的旋量表征为：
51、
52、实施本专利技术的单动力源重载多自由度成形装置构型设计方法，具有以下有益效果：
53、本专利技术提出一种单动力源重载多自由度成形装置构型设计方法，综合出一类通过单个电机驱动，可以实现特定需求运动轨迹的成形机构。首先基于特定运动需求确定待综合机构的基本自由度需求，接着通过建立机构广义运动学模型，推导单动力源重载多自由度成形装置机构的约束条件，然后基于旋量理论及约束条件综合满足要求的机构支链，并装配为单动力源重载多自由度成形装置。综合设计出的机构仅需单个电机输入即可实现特定运动需求。单动力源重载多自由度成形装置具有传动链少，结构简单，传动效率高等特点，可实现高速特定运动，同时控制简单。
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1.一种单动力源重载多自由度成形装置构型设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的单动力源重载多自由度成形装置构型设计方法，其特征在于，在所述步骤S1中，空间任意运动用运动旋量来表征，公式如下：
3.根据权利要求2所述的单动力源重载多自由度成形装置构型设计方法，其特征在于，单动力源重载多自由度成形装置的设计约束条件包括：
4.根据权利要求1所述的单动力源重载多自由度成形装置构型设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，进行单动力源重载多自由度成形装置的构型过程，球面转动运动的运动旋量表示为：
5.根据权利要求1所述的单动力源重载多自由度成形装置构型设计方法，其特征在于，在所述步骤S4中，单动力源重载多自由度成形装置由以下两种方式构成：(1)任取3条支链自由度为3/4/5的支链组成；(2)任取3条自由度为6的支链为主动支链再选择一条自由度为3支链为被动支链组成。
6.根据权利要求1所述的单动力源重载多自由度成形装置构型设计方法，其特征在于，在所述步骤S5中，根据杆长不变条件，几何约束条件表示为：
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1.一种单动力源重载多自由度成形装置构型设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的单动力源重载多自由度成形装置构型设计方法，其特征在于，在所述步骤s1中，空间任意运动用运动旋量来表征，公式如下：
3.根据权利要求2所述的单动力源重载多自由度成形装置构型设计方法，其特征在于，单动力源重载多自由度成形装置的设计约束条件包括：
4.根据权利要求1所述的单动力源重载多自由度成形装置构型设计方法，其特征在于，在所述步骤s2中，进行单动力源重载多自由度成形装置的构型过程，球面转动运动的运动旋量表示为：
5.根据权利要求1所述的单动力源重载多自由度成形装置构型设计方法，其特征在于，在所述步骤s4中，单动力源重载多自由度成形装置由以...
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