完全解耦2T3R并联机器人机构型综合方法

针对并联机器人运动的非线性、强耦合问题,基于GF集理论提出一种完全解耦两移动三转动(2T3R)并联机构型综合方法.首先阐述GF集的基本概念、运算法则,给出并联机构数综合方程;然后根据GF集的求和运算和转动轴线迁移定理,给出机构输入运动副选择原则以及解耦支链设计准则;按照完全解耦并联机构设计步骤,列举出了2T3R并联机构各解耦分支运动链,综合出了含有单、双驱动支链的2T3R五自由度完全解耦并联机构,得到了大量新构型;最后通过综合出的2T3R并联机构,运用旋量理论求得其机构末端运动特征,求解机构位置正解解析表达式,进而推导得到机构雅可比矩阵,验证了该机构的完全解耦性,进一步证明了该构型方法的有效性.     

3-RPC并联机构雅可比矩阵

建立雅可比矩阵是研究并联机构运动轨迹的重要方法。以3-RPC并联机构为研究对象,建立机构雅可比矩阵并以此为基础分析机构奇异位型。首先利用螺旋法分析3-RPC并联机构的每个分支,建立支链运动螺旋,然后运用反螺旋系建立3×6约束雅可比矩阵,确定驱动副后建立3×6驱动雅可比矩阵,综合两个矩阵得到3-RPC并联机构的6×6雅可比矩阵。对6×6雅可比矩阵进行奇异性分析,得到机构在极限条件下的奇异位型,可以有效避免机构卡死现象的发生。建立3-RPC并联机构雅可比矩阵对于分析机构的运动有重要意义。     

含恰约束支链的冗余驱动并联机构性能分析

针对航空航天领域大型异构件复杂曲面的高速铣削加工的任务要求,提出了一种新型1T2R的三自由度含恰约束支链的冗余驱动4-PUS-UP并联机构.对并联机构进行运动学位置逆解,求该机构的驱动雅可比矩阵和约束雅可比矩阵,进而构建量纲一致的雅可比矩阵.引入条件数、运动/力传递性能和刚度性能评价指标.通过算例绘制3-PUS-UP并联机构和该冗余驱动并联机构的性能分布图,并计算全域性能指标.结果表明:该冗余驱动并联机构的运动学性能优于3-PUSUP并联机构,具有更好的工程应用前景.     

一种2R1T并联机构的设计及分析

设计了一种带封闭支链的2R1T并联机构,该机构主体由定平台、动平台、两条RPS支链和一个(S+SPR)S的封闭支链组成。2R1T并联机构具有三个自由度,包括两个转运和一个移动自由度。设置三个移动副为驱动副控制动平台的位置及姿态,分别由伺服电机驱动。应用SolidWorks建立2R1T并联机构的三维模型,并在SolidWorks里进一步优化模型实现从理论运动模型到实物模型的过渡转换。运用粒子群优化算法通过数值法求得并联机构的位置正解。运用Adams软件输出动平台质心的运动线图,根据运动线图判断机构运动学的合理性。     

基于反螺旋理论的2-PTR&PSR并联机器人的奇异位形研究

运用反螺旋理论的方法,对2-PTR&PSR并联机器人进行奇异位形分析。应用几何法,求解出机构的反螺旋,进一步得到机构的约束雅可比矩阵和驱动雅可比矩阵,以及全雅可比矩阵;通过计算分析,2-PTR&PSR并联机器人无约束奇异,当任意一个支链上的连杆与其联接的移动副轴线垂直时,产生结构奇异;最后通过数值仿真得出机构的奇异位形3维曲面.     

一类大转角两转动并联机构的构型分析与运动学优化设计

面向航空航天和仿生设计等领域对大转角两转动并联机构的应用需求,围绕一类新型两自由度转动并联机构——2-RRRR2-RSR机构的构型分析与运动学优化设计问题展开研究.首先,以投影关系为基础分析2-RRRR2-RSR并联机构在给定工作空间内实现两自由度转动运动所需满足的几何条件,并针对两种投影情况分析机构的参数特解.其次,基于闭环矢量法求解2-RRRR2-RSR并联机构的位置逆解,推导机构驱动角度与动平台姿态角之间的映射关系,继而利用RRRR支链与RSR支链的运动特点,获得机构动平台姿态角的正解模型.以此为基础,借助螺旋理论建立2-RRRR2-RSR并联机构的速度映射模型,构建机构的广义雅可比矩阵,并通过软件仿真验证机构位置正、逆解及速度映射模型的有效性.再次,根据2-RRRR2-RSR并联机构的运动特性,以奇异性、铰链许用转角范围、连杆安全距离为约束条件,借助极限边界搜索法求解机构动平台中心点的位置工作空间,进而对应位置工作空间等效获得机构的转角工作空间.最后,借助螺旋理论中运动与力的互易积的物理含义定义可描述2-RRRR2-RSR机构瞬时功率传递特性的无量纲运动学性能评价指标,并结合工程实际需求设定机构的约束条件,实现机构的尺度参数的运动学优化设计.研究成果可为大工作空间两自由度转动并联机构的样机设计与控制策略制定奠定理论基础.     

平面2T1R并联机构无过约束构型设计

基于螺旋理论和集合论原理,根据动平台所受约束与支链约束之间的关系,分析平面2T1R并联机构无过约束构型条件,得到了6种3支链结构的约束配置方式.根据支链约束要求,采用转动副和移动副设计具体的支链结构,并按不同支链间约束配置方式确定各支链运动副轴线的几何布置,综合出了一类新的完全对称结构和非完全对称结构无过约束平面2T1R并联机构.     

一种三转动并联机构的运动学及解耦性分析与仿真

对一种支链含等速万向节的RRR-PaRRS-RHJ型三转动并联机构的运动学及其解耦特性进行分析.首先,对机构进行运动特性分析和自由度计算.然后,通过构件间的几何关系对机构进行运动学分析,给出机构位置正、逆解析解,推导出机构在定坐标系和动坐标系下的速度雅克比矩阵,根据雅可比矩阵分析此机构在不同坐标系下表现的不同耦合性.最后,运用ADAMS软件进行运动学仿真,验证了理论分析的正确性.     

两移动三转动完全解耦混联机器人机构型综合

为综合得到两移动三转动(2T3R)完全解耦混联机器人机构,基于GF集理论提出了一种简单而有效的解耦混联机构型综合方法,并且给出了完全解耦混联机构型综合的具体设计步骤。首先分析了GF集的运算法则;接着通过GF集元素组合公式和混联机构数综合方程构造了混联拓扑结构,并结合机构输入运动副选择原则和解耦分支设计准则,确保了混联机构运动的解耦性;然后根据该构型综合方法,完成了完全解耦2T3R五自由度混联机构的型综合过程。运用该型综合方法,得到了构成2T3R解耦混联机构各模块单元的组合形式,再以其中一种组合形式为例,综合出了2T3R五自由度完全解耦混联机构,并得到了大量新构型。针对该完全解耦混联机构,求解了机构位置的正解解析表达式,推导出了机构的雅可比矩阵,进而依据此雅可比矩阵表达式,验证了混联机构的完全解耦特性,进一步证明了该构型方法的正确性。基于GF集的完全解耦混联机构型综合方法可用于具有确定运动特征的解耦串联、并联以及混联机构的构型设计。     

用于飞机装配的3-S—R机构运动学与奇异分析

针对飞机柔性装配系统高精度、大作业空间的要求,以3-SPR并联机构为研究对象,运用螺旋理论分析该机构的自由度特性并建立约束螺旋,进而求得机构的雅可比矩阵。通过对雅可比矩阵的分析,明确机构的奇异位形。根据并联机器人机构学理论建立该机构的位置逆解模型,推导出位置逆解的显式解答。利用运动仿真软件对机构进行运动仿真,仿真结果验证了理论分析的正确性。     

用于飞机装配的3-SPR机构运动学与奇异分析

针对飞机柔性装配系统高精度、大作业空间的要求,以3-SPR并联机构为研究对象,运用螺旋理论分析该机构的自由度特性并建立约束螺旋,进而求得机构的雅可比矩阵。通过对雅可比矩阵的分析,明确机构的奇异位形。根据并联机器人机构学理论建立该机构的位置逆解模型,推导出位置逆解的显式解答。利用运动仿真软件对机构进行运动仿真,仿真结果验证了理论分析的正确性。     

3T2R混联机构运动学性能分析

5自由度混联机构由完全各向同性的三维移动并联机构和2自由度转动的串联机构组成.此混联机构末端位置由两部分共同决定,姿态完全由串联部分决定.首先,求解了机构的自由度数目,并运用螺旋理论分析了自由度性质.然后,选取机构的驱动副,判断并联模块支链第5个转动副为消极副,从而简化了并联模块,方便了后续的分析.最后,分析了混联机构的运动学特征,利用运动影响系数求得其速度雅可比矩阵,并分析了机构的工作空间和奇异位形.该机构运动学解耦,计算方便,便于实时运动控制,同时机构工作空间大,无奇异位形,有很好的应用前景.     

一种2R2T并联机构的运动学及性能分析

研究了一种具有4条支链和2个运动平台的并联机构,其中2个运动平台通过1个转动副相连.利用位移群理论分析了机构的自由度,2个动平台都有2个转动和2个移动自由度.对机构进行了位置分析,得到了正解的封闭解.给出了机构的雅可比矩阵,分析了机构的奇异位形和刚度性能.所提出的机构在工业和医学领域具有良好的应用前景.     

一种2R1T并联机构位置反解和工作空间分析

设计了一种带封闭支链的2R1T并联机构，机构主体组成包括定平台、动平台、两条RPS支链、一条由封闭支链2SPR和S组成的支链。通过改变三个P副的位移大小来控制动平台的位置及姿态。基于螺旋理论，对2T1R并联机构进行自由度分析，分析得到该机构有两个转动自由度和一个移动自由度。建立机构运动学的反解模型并进行反解求解。应用SolidWorks建立2R1T并联机构的模型并用Matlab建立运动学模型。应用数值搜索法基于位置反解在Matlab中求解得到并联机构的工作空间。     

基于冗余并联机构的高性能机床设计与分析

为提高并联机构在局部精密加工时的调整姿态能力等运动性能,通过添加冗余驱动的方式,提出一种新型2RP(R)/S-2RPS结构冗余并联机构,并对机构进行解耦特性和位置逆解计算,利用约束杆长方程求导方法建立速度输入与输出方程及速度映射矩阵。根据解耦特性对机构伴随运动进行求解,对比冗余机构在相同约束下与非冗余机构的工作空间。利用雅可比矩阵,对机构静刚度和灵巧性运动性能进行分析,同时将上述机构性能与非冗余机构性能进行对比。研究结果表明:通过添加冗余驱动的方式使机构性能得到提升。以圆弧曲线为运动轨迹,对机构进行圆弧轨迹运动过程进行仿真,仿真结果证明该设计的可行性以及机构具有实现任务的能力。     

2TPT-PTT并联机床运动学研究

提出了一种新型的2TPT-PTT三平移自由度并联机床构型·建立了运动学方程,给出运动学方程的正、逆解·通过对雅可比矩阵及其逆矩阵的研究,分析了机构的奇异性及各杆的速度·在Solidworks和visualNastrandesktop环境下建立其三维实体运动模型,并对各杆在三维空间内速度变化做了进一步研究·研究结果表明:对运动学方程所求正、逆解及雅可比矩阵正确,该机构具有结构紧凑、运动平稳、不存在奇异点、易于控制等优点,为并联机床的机构设计提供了一定的理论基础·     

3/6-SPS并联机构的奇异位形及瞬时运动分析

应用螺旋理论研究了3/6-SPS型并联机器人的奇异位形,建立了静力学平衡方程并求出该并联机构的雅可比矩阵J,结合位形参数和雅可比矩阵推导出了并联机构奇异位形的判别矩阵D,并通过判别矩阵D找到并联机构的一个奇异位形.然后讨论了并联机构在奇异位形的瞬时运动,根据螺旋理论得出该运动是个并联机构6个杆件约束力的反螺旋,是一个瞬时的螺旋运动,最后给出了瞬时螺旋运动的形成条件和数学证明.     

一种1T2R并联动力头的运动学分析与优化设计

面向飞机等大型结构件高效加工的需求,提出了一种新型5坐标可重构作业单元执行机构(称之为1T2R并联动力头)的运动学分析与设计方法.首先,借助闭环矢量法构造该类3自由度并联动力头的位置逆解模型,推导量纲统一的速度雅可比矩阵.利用数值搜索法搜索该机构的可达空间,研究关键参数对工作空间的影响规律.然后,以动平台外接圆半径为参照归一化设计参数,利用量纲统一雅可比矩阵的条件数构造兼顾机构运动学性能平均水平与波动量的全域评价指标,将其作为目标函数.最后,依据工程需求及性能要求,结合工作空间分析,确定约束条件,利用灵敏度分析实现机构尺度参数的综合,并用MATLAB遗传算法工具箱予以验证.此研究成果可为该类1T2R并联动力头的详细机械设计奠定理论基础.     

一种运动分岔并联机构的结构约束与运动模式分析

为设计得到一种新型运动分岔并联机构,运用螺旋理论对其结构约束和运动模式进行分析,同时分析了输入选取。首先,研究了一种运动分岔单环闭链的运动特性,具有两种不同的单自由度转动和两自由度瞬时转动;其次,将运动分岔单环闭链与四自由度PPRR(P表示移动副,R表示转动副)串联支链相结合,得到一种具有无约束、存在一个约束力偶和一个约束力矢的3种不同结构约束的混联支链,并得到了混联支链在不同运动模式下的约束螺旋表达式;最后,利用3条相同的混联支链连接定平台和动平台,得到一种新型运动分岔并联机构,并讨论了其输入选取。研究结果表明,该运动分岔并联机构具有3T3R、3T、3R、2T1R和1T2R(T表示移动,R表示转动)共5种不同运动模式。     

基于广义雅可比矩阵的空间并联机器人运动学研究

针对自由漂浮空间并联机器人运动输出部分与载体之间存在运动耦合的问题,提出一种自由漂浮空间并联机器人广义雅可比矩阵的构造方法。基于螺旋理论建立速度映射关系,得到各分支输入速度与上、下平台的运动速度关系,结合动量守恒定律得到出上、下平台的速度运动关系,推导出自由漂浮空间并联机器人的广义雅可比矩阵,以6-SPS并联机构为例,进行数值计算和仿真分析对比,验证广义雅可比矩阵构造方法的正确性,也为自由漂浮空间并联机器人的精确控制奠定了基础。