新型太阳跟踪装置机构的研究
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摘要
太阳能是一种具有开发潜能的能源，但目前太阳能的利用率不高，理论分析表明，采用跟踪技术可以提高37.7％的能量接受率，太阳跟踪装置成为国内外学者研究的热点。
本文首先对国内外现有的太阳跟踪装置的原理进行分析，结果表明这些装置普遍存在着刚度低、跟踪范围小、精度低等缺点，因此提出了一种新型的太阳跟踪装置，该装置采用三自由度并联球面机构。其次本文以球面三角学理论为数学基础，对三自由度并联球面机构进行了运动学分析，导出三自由度并联球面机构的位置反解和速度反解方程，得出机构的雅可比矩阵。再次对球面机构的性能进行研究，利用保角变换理论将球面机构工作空间在平面中表示，在分析串联球面机构可达工作空间的基础上，得出给定机构参数的并联球面机构的可达工作空间和可达工作空间面积性能图谱，得出对应于不同灵活度ε的灵巧工作空间和灵巧工作空间面积性能图谱，结论表明，在给定机构参数β_1，β_2的情况下，α_1，α_2越是靠近90°，其可达工作空间和灵巧工作空间面积越大；利用雅可比矩阵对机构进行奇异位形分析，得出几种特定机构参数的奇异位形。最后，选择机构参数α_1=90°，α_2=90°，β_1=60°，β_2=60°的球面机构，以天津市夏至日为例，应用虚拟样机技术，在仿真软件Adams中进行运动学仿真，得出各个电机的转角、角速度和角加速度的曲线，验证了机构的可行性，为该装置的后续研究提供了基础，为三自由度并联球面机构的研究提供资料。
Solar energy is a kind of energy with the potential of development, but the current solar utilization is not efficiently. The theories analysis expresses, adopting the solar tracking can increase 37.7% the rate of the energy accepts, so a lot of domestic and international scholars investigative the device of solar tracker.
Firstly, on the basis of the principle of domestic and international solar trackers, the result expresses that these device have the weakness of low rigidity, having the small scope of tracking and low accuracy. So, this paper presents a new two-axes solar tracker, which the device adopts spherical 3-DOF parallel mechanism. Secondly, based on spherical trigonometry theory, proceed the kinetics analysis to the spherical 3-DOF parallel mechanism, and given the position inverse solution, the velocity inverse solution equation and the Jacobian Matrix. Thirdly, study the mechanism character of the spherical 3-DOF parallel mechanism. Using the theory of Conformal Transformation, the planar figures of the workspaces are mapped. On the study of the spherical 3-DOF serial mechanism workspaces, we can give the reachable workspace, the atlases of reachable workspaces, the mobile workspace and the atlases of mobile workspace of the spherical 3-DOF parallel mechanism which given geometric parameters. From these atlases,
we can see that the mechanical function is better when β1,β2 was given and α1, α2 tend 90°. Through analysis the Jacobian Matrix, we can give the singularity of the spherical 3-DOF parallel mechanism. Finally, select the geometric parameters as α1 =90°,α2 = 90°, β1 = 60°, β2 = 60°take the summer solstice day of Tianjin City as an example, and proceed
kinetics simulation with Adams. Though simulation, give the angle, angular velocity, angular
acceleration of every motor and Verify the possibility of the mechanism. It offered the
foundation for the follow-up research and the research data of the spherical 3-DOF parallel
mechanism.
本文首先对国内外现有的太阳跟踪装置的原理进行分析，结果表明这些装置普遍存在着刚度低、跟踪范围小、精度低等缺点，因此提出了一种新型的太阳跟踪装置，该装置采用三自由度并联球面机构。其次本文以球面三角学理论为数学基础，对三自由度并联球面机构进行了运动学分析，导出三自由度并联球面机构的位置反解和速度反解方程，得出机构的雅可比矩阵。再次对球面机构的性能进行研究，利用保角变换理论将球面机构工作空间在平面中表示，在分析串联球面机构可达工作空间的基础上，得出给定机构参数的并联球面机构的可达工作空间和可达工作空间面积性能图谱，得出对应于不同灵活度ε的灵巧工作空间和灵巧工作空间面积性能图谱，结论表明，在给定机构参数β_1，β_2的情况下，α_1，α_2越是靠近90°，其可达工作空间和灵巧工作空间面积越大；利用雅可比矩阵对机构进行奇异位形分析，得出几种特定机构参数的奇异位形。最后，选择机构参数α_1=90°，α_2=90°，β_1=60°，β_2=60°的球面机构，以天津市夏至日为例，应用虚拟样机技术，在仿真软件Adams中进行运动学仿真，得出各个电机的转角、角速度和角加速度的曲线，验证了机构的可行性，为该装置的后续研究提供了基础，为三自由度并联球面机构的研究提供资料。
Solar energy is a kind of energy with the potential of development, but the current solar utilization is not efficiently. The theories analysis expresses, adopting the solar tracking can increase 37.7% the rate of the energy accepts, so a lot of domestic and international scholars investigative the device of solar tracker.
Firstly, on the basis of the principle of domestic and international solar trackers, the result expresses that these device have the weakness of low rigidity, having the small scope of tracking and low accuracy. So, this paper presents a new two-axes solar tracker, which the device adopts spherical 3-DOF parallel mechanism. Secondly, based on spherical trigonometry theory, proceed the kinetics analysis to the spherical 3-DOF parallel mechanism, and given the position inverse solution, the velocity inverse solution equation and the Jacobian Matrix. Thirdly, study the mechanism character of the spherical 3-DOF parallel mechanism. Using the theory of Conformal Transformation, the planar figures of the workspaces are mapped. On the study of the spherical 3-DOF serial mechanism workspaces, we can give the reachable workspace, the atlases of reachable workspaces, the mobile workspace and the atlases of mobile workspace of the spherical 3-DOF parallel mechanism which given geometric parameters. From these atlases,
we can see that the mechanical function is better when β1,β2 was given and α1, α2 tend 90°. Through analysis the Jacobian Matrix, we can give the singularity of the spherical 3-DOF parallel mechanism. Finally, select the geometric parameters as α1 =90°,α2 = 90°, β1 = 60°, β2 = 60°take the summer solstice day of Tianjin City as an example, and proceed
kinetics simulation with Adams. Though simulation, give the angle, angular velocity, angular
acceleration of every motor and Verify the possibility of the mechanism. It offered the
foundation for the follow-up research and the research data of the spherical 3-DOF parallel
mechanism.
引文
1．郧守琛，余杰．太阳能电源．河南人民出版社，1992．7
2．周淑琴．自动跟踪式太阳能厨房的原理与应用．能源研究与应用，1995，3：32-34
3．李秀实．利用太阳能的太阳灶自动跟踪系统，新能源，1992，14(6)
4．郭廷玮，刘建民．太阳能的利用，科学技术文献出版社，1987，1
5．志峰．抛物跟踪式太阳高温集热器的研究，太阳能学报，ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA．2000 Vol 21
6．赵建根，高永全．五象限法太阳自动跟踪仪．应用光学，2001，22(1)：30-32
7．章之华．步进式太阳自动跟踪装置．能源研究与应用，1995，5：18～19
8．张迎胜．子午坐标双轴完全跟踪系统．新疆新能源研究所
9．聂平，民用太刚能技术，内蒙古人民出版社．1984，7
10．陆利生，张勇超．单轴太阳自动跟踪器液压传动系统的设计，环境科学研究，1995，4：27～30
11．韦宁，闻汉忠，唐朴．控放式自动跟踪系统的研制．江苏盐城新能源研究所
12．范跃华，李挺，杨世模，沈龙翔等．五种太阳能设备跟踪器及其涉及的物理背景分析，河南科学，1991，9(1)：76～87
13．Mark J. McNally．精密太阳跟踪器．控制工程，1998．
14．于贺军，吕文华．全自动太阳跟踪器软件的设计和研究．气象水文海洋仪器，2001，1
14．胡济元．全天候太刚能自动跟踪控制器．无线电，1997，3：40～41
16．黄真，孔令富，方跃法．并联机器人机构学理论及控制．机械工业出版社．1997，12
17. D. Tesar, et al.. A generalized modular architecture for robot structures. Manufacturing Review, 1989, 2(2)
18. C.M. Gosselin and J.-F. Hamel. The agile eye: a high-performance 3-DOF camera-orienting device. Proceedings of the IEEE Int. Conf On Robotics and Automation, 1994, Vol.3, pp781-786.
19．黄真．空间机构学．机械工业出版社，1991．
20. Duffy J. Anslysis of Mechanisms and Robot Manipulators. New Tork: John Wiley&Sons,1980.
21．林福泳．3—RPS并联机构运动分析．机械科学与技术，Vol．17，No．3，1998
22．熊有伦，丁汉，刘恩仓．机器人学．机械工业出版社，1993，10
23．赵新华，并联机器人运动学理论研究：[工学博士学位论文]，天津：天津大学研究生学院，2000
24. Tian Huang, et al. Design of Hexapod-Based machine tools with specified orientation capability and wellconditioned dexterity. The 10th World Congress for Theory of Machines and Mechanisms, Oulu, Finland, June, 1999:20～24
25. Xin-Jun Liu, Zhen-Lin Jin, Feng Gao. Optimum.design of 3-DOF spherical parallel manipulators with repect to the conditioning and stiffness indices. Mech. Mach. Theory, 2000(35):1257～1267
26．方跃法，黄真．三自由度并联并联机器人的运动分析．机械科学与技术，1997
27．黄真、孙宪文．6—SPS并联机器人机构运动学分析，东北重型机械学院院报，1992，16(4)：283-287
28．李洪波．冗余七自由度串并联拟人手臂的设计研究：[工学硕士学位论文]。天津：河北工业大学，2003
29．李俊杰．矩阵分析，北京，机械工业出版社，1995，pp74-94
30．李庆扬，王能超，易大义．数值分析，武吕，华中理工大学出版社，1999，pp238-314
31．张启先．空间机构的分析与综合，北京，机械出版社，1984
32．张晓秋、平面三自由度并联机器人性能与工作空间的研究，燕山大学，硕士论文，1995
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36. K. C. Gupta and B. Roth. Design consideration for manipulator workspace. ASME Journal of Mechanical Design, 1982, Vol. 104, No.4, pp704-712.
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38．梁昆淼．数学物理方法．人民教育出版社，1979
39. C. Gosselin. Kinematic analysis, optimization and programming of parallel robotic manipulators, PH.D. thesis, McGill University, Montréal, Québec, Canada, 1988.
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41．刘辛军．并联机器人机构尺寸与性能关系研究及其设计理论研究：[工学博土学位论文]．秦皇岛：燕山大学
42. Roth. Performance Evaluation of manipulators from a kinematic viewpoit, NBS Special Publication No.459,Performance Evaluation of Programmable Robots and Manipuators,pp39-61,1975
43．华为实．并联机器人的奇异位形，电子科学大学学报，No．2，1999
44. Gosselin. Determination of the workspace of 6-DOF parallel manipulator, Journal of Mechanical Design, Vol. 112,pp-326-331,1990
45. J. Haug, J. Y. Wang and J.K. Wu. Dextrous workspace of manipulators, Ⅰ. Analytical criterial Mech. Struct. &Mach,20(3),pp321-361,1992
46. Gosselin. C. M and Angeles J, Singularity Analysis of Closed-Loop Kinematic Chains. IEEE trans. On Rob. &Aut. 1990a, 6(3):281～290
47. Gosselin. C. M and Angeles J,Kinematic Inverion of Parallel Manipulators in the Presence of Incompletely Specified Tasks, ASME J. of Mech. Des,1990b, 112:454～500
48. Gosselin. C. M, Determination of the Wrokspace of 6-DOF Parallel Manipulators. ASME J. of Mech. Des. 1990c,112:331～336
49．马香峰主编．机器人机构学．北京：机械工业出版社，1991
50．郑建荣，ADAMS—虚拟样机技术入门与提高，机械工业出版社
51．李军，刑俊文，覃文浩．ADAMS实例教程，北京理工大学出版社
52．樊峰鸣，马良涛．单轴太阳能跟踪系统的研究，河南城建高等专科学校，2000，9(3)：43～45
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44. Gosselin. Determination of the workspace of 6-DOF parallel manipulator, Journal of Mechanical Design, Vol. 112,pp-326-331,1990
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52．樊峰鸣，马良涛．单轴太阳能跟踪系统的研究，河南城建高等专科学校，2000，9(3)：43～45
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