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.     

冗余并联机床驱动力优化解析

驱动冗余可有效消除并联机构在作业空间中的奇异位形,但其导致驱动力分配不唯一。该文针对一台4自由度的冗余并联机床进行了驱动力解析。在运动学分析基础上,得到各支链的偏速度矩阵及偏角速度矩阵,解算各支链的合力/力矩,利用虚功原理建立了该机构的逆动力学方程,并将其变换为线性格式,然后针对驱动冗余的特点,对驱动力分别进行了力优化及能耗优化,其中,力优化计算简单,而能耗优化可降低最大驱动力。该模型适用于冗余并联机构的动力学参数辨识以及动力学控制。     

冗余并联机床驱动力优化解析

驱动冗余可有效消除并联机构在作业空间中的奇异位形,但其导致驱动力分配不唯一。该文针对一台4自由度的冗余并联机床进行了驱动力解析。在运动学分析基础上,得到各支链的偏速度矩阵及偏角速度矩阵,解算各支链的合力/力矩,利用虚功原理建立了该机构的逆动力学方程,并将其变换为线性格式,然后针对驱动冗余的特点,对驱动力分别进行了力优化及能耗优化,其中,力优化计算简单,而能耗优化可降低最大驱动力。该模型适用于冗余并联机构的动力学参数辨识以及动力学控制。     

基于旋量分析的4-PaUS/PPPU并联机构设计与性能仿真

由于并联机器人的多环结构能有效解决串联机器人在高精度加工领域精度低，刚性差，响应慢等问题，因此通过旋量法设计了一种新型4-PaUS/PPPU的2R3T并联构型，利用旋量理论分析了该机构的自由度，给出了机构的逆运动学逆解解析式。由运动/力传递性能分析结果可知，在工作空间内并联机构ITI值在0.7以上，运动/力传递性能良好。     

面向骨折手术的三支链六自由度并联机构设计

随着微创技术和生物学固定技术的发展,创伤骨折手术中愈加需要术中精准定位,以确保内固定物能够精确和微创地固定骨折断端.其中,利用六自由度并联机构进行骨折断端的复位和固定是实现微创精准骨折手术的重要手段,也是未来骨折手术的发展趋势.现有的由6条支链构成的六自由度并联机构存在质量大、医学影像设备扫描后伪影严重等系列问题,提出和设计少支链六自由度并联机构成为研究热点.本文借助有限旋量理论构型综合出一类三支链六自由度并联机构,并进行了其拓扑结构和运动学性能设计.首先,利用有限旋量描述六自由度并联机构及其支链末端的运动,通过有限旋量理论的结合定律和交换定律获得可行支链的标准型和衍生型,通过定义支链装配条件和配置驱动关节,综合出一类三支链六自由度并联机构;然后,定义了优选准则,借助瞬时旋量理论对优选出的5种三支链六自由度并联机构进行了位置逆解、工作空间和速度分析;最后,以运动/力传递率在给定工作空间内的均值与方差为目标函数,考虑并联机构的拓扑结构对运动学性能的影响因素,开展了三支链六自由度并联机构的拓扑结构与运动学性能的一体化设计.上述工作为后续三支链六自由度并联机构的物理样机建造与实验研究提供了理...     

6-RRS冗余驱动飞行模拟器运动学与工作空间分析

提出一种以6-RRS球面并联机构作为运动机构的冗余驱动飞行模拟器.该机构具有3个转动自由度、6个驱动、3个冗余驱动,由2个完全相同的3-RRS球面并联机构构成6-RRS球面并联机构.该机构广义上具有一个定平台和一个动平台,整个动平台即为飞行模式器座舱.在3-RRS球面并联机构运动学分析的基础上,给出了6-RRS球面冗余驱动并联机构的运动学分析,包括机构的方向余弦的建立、反解和正解及该机构的工作空间分析.     

基于仿人并联手指机构的机器人灵巧手设计与性能研究

为满足工业上对机器人灵巧手灵巧度高、承载能力强和精度高的要求,提出一种具有2T1R运动类型的仿人并联手指机构,并设计一种基于仿人并联手指机构的机器人灵巧手.对并联手指机构进行了 自由度、运动学的分析,并用Adams对运动学分析进行了验证;利用机构的约束条件,确定了并联手指机构的工作空间;根据所建立的雅克比矩阵,研究了并联手指机构的奇异性与灵巧性,分析了力的传递性质;建立了灵巧手的抓取模型,分析了灵巧手协调操作的自由度、运动学和空间.通过研究分析,验证了灵巧手可行性与实用性,运动及性能方面可以满足工业生产的需求.     

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.     

4足机器人腿部机构运动学分析及步态规划

为提高足式机器人的承载能力与运行稳定性,提出了一种基于3UPR并联机构的4足机器人,并对其运动性能进行分析. 运用螺旋理论对该机构进行自由度分析,通过位置反解模型对机器人腿部机构进行运动学分析,得到驱动进给量和驱动速度. 通过ADAMS仿真与理论计算结果的数据对比,验证模型建立的正确性. 通过求解速度雅克比矩阵对机构进行奇异性分析. 根据单腿的运动轨迹,对机器人进行对角步态规划. 结果表明该机构具有X、Z方向转动和Y方向移动的3个自由度. 该机构不存在奇异位置,且具有良好的运动性能. 步态仿真结果表明,机器人可以在平地上实现平稳运动,前进速度达到135 mm/s.      

两类平面并联机构凯恩动力学建模与比较研究

研究了冗余驱动平面4-RRR并联机构与非冗余驱动平面3-RRR并联机构的刚体动力学建模及其性能比较.首先,从运动学角度出发,推导了两种机构的运动学逆解模型.其次,基于Kane方程和多体理论,提出了一种模块化建模方法.该方法简捷、高效,可有效简化动力学建模过程,并可获得结构紧凑的系统动力学模型,对于控制策略的构建极为便利.最后,在MATLAB编程环境下,分别从运动学与动力学性能指标、逆刚体动力学仿真等方面对两种机构进行了比较分析,验证了冗余驱动在规避奇异、提升系统动态性能等方面的有效性,为后续基于模型的控制策略设计奠定了理论基础.     

一种Delta型并联机器人的机构设计与分析

提出了一种应用于产品包装的delta型并联机器人。该机构灵活高效,具有良好的运动和力传递性能。在运动过程中,四个支臂始终保持空间平行四边形且末端执行器只有3个平动自由度。本文对其进行了整体结构设计、自由度分析、位置正解反解的计算,为该机构的应用打下了基础。     

2UPU/SP 3自由度并联机构的动力学性能评价

动力学特性是并联机构的一项重要性能。该文以一种用于航天复合材料加工的混联机器人中的2UPU/SP并联机构为研究对象,考虑两个UPU运动学支链的平面约束特性,建立了该3自由度并联机构的运动学模型,并基于虚功原理,推导了动力学模型。给出一种动力学性能评价指标,该指标以一个驱动力为单位量且其他驱动力小于或等于单位量时的动平台最大加速度来评价并联机构的加速性能。基于给出的动力学性能评价指标,对2UPU/SP并联机构的线加速度和角加速度分别进行评价,并与一种传统的2UPS/UP并联机构进行比较,结果表明2UPU/SP机构具有更好的加速度性能。     

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。     

基于力传递性能的平面并联机器人的优化设计

为优化设计并联机器人的结构参数,利用传动角的概念,定义了评价并联机器人运动/力传递性能的度量指标LTI(局部传递指标)、GTW(优质工作空间)和GTI(全域传递指标),然后以PvRRRPv并联机器人为例,分析这些指标在机构参数优化设计的应用.结果表明,采用该文提出的性能指标设计的机器人,不仅可以远离奇异,而且具有良好的运动/力传递特性.     

一种新型3-RPRRR并联机构的运动学分析

对一种新型3-RPRRR并联机构进行了运动学分析。首先,基于约束螺旋理论,利用修正的Grübler-Kutzbach自由度计算公式分析了该机构的自由度。然后对该机构进行了位置反解分析。最后采用虚设机构法与运动影响系数理论相结合的方法对该机构进行了速度和加速度分析,并进行了数值验证,表明该方法表达简洁,易于求解。所有这些研究表明:该机构的运动学性能稳定,适合实际应用。     

非对称2T1R并联机构的运动学和灵巧性分析

提出一种非对称空间并联机构,其动平台相对于静平台具有两个移动和一个转动自由度。利用单开链单元理论对机构的运动输出特性进行了分析,并对其自由度数目进行了计算。推导出机构位置的正、逆解析解,以及速度矢量方程。根据机构灵巧性分析可知,当机构处于某一特殊位形时,其运动学条件指标等于1,即该机构为各向同性并联机构。因而所提出机构具有良好的运动学性能,在工业机器人、医用机器人和微操作机器人等领域具有潜在的应用前景。     

3-(P)US/PU 3自由度并联机构运动学优化设计

研究了一种带恰约束从动支链的3自由度并联机构的运动学优化设计.该机构采用3-PUS/PU拓扑结构,可实现一维平移和两维转动自由度.在构造出该机构全速度雅可比矩阵的基础上,以支链误差传递率为性能指标,在考虑必要机械约束的基础上,采用遗传算法实现了该机构的尺度参数优化设计,并给出相应算例.由实例可知,经优化得出的尺度参数合理.此优化方法同样适用于其他类似并联机构的运动学设计.     

基于2-UPR/RPS并联机构尺度对工作空间的影响

针对目前并联机构工作空间较小、在生产实际中适应性较差的问题,对2-UPR/RPS机构进行运动分析和工作空间分析.首先,通过螺旋理论求解机构自由度,再利用修正后的Kutzbach-Grübler公式验证2-UPR/RPS并联机构的空间自由度,使用闭环矢量法求解该机构三条支链的运动学逆解,通过改变动静平台大小比例和运动副布置方式,观察对并联机构工作空间的影响.最后,在数学建模软件中对2-UPR/RPS并联机构可达工作空间进行仿真分析.该并联机构在空间中具有两转一移三个自由度,工作空间形状规则,无空洞,无突变.在生产实际中可根据实际情况选择合适的运动副布置方式及机构尺寸,可使该机构在满足实际需求的情况下在具有较大的工作空间.     

一种新型三自由度平面并联机构的运动学解析

根据少自由度并联机构的诸多优点,提出了一种新型三自由度平面运动并联机构,介绍了该机构的组成,推导了该并联机构的运动学正逆解求解公式,分析并求解了该并联机构的奇异性、工作空间和被动关节等相关问题,并给出了雅克比矩阵.求解结果表明,该并联机构运动学正、逆解方程均具有显式表达式,易于实现实时控制,能够满足工程实际应用.     

一种二平动自由度并联机械手动力尺度综合

研究一种二平动自由度高速并联机械手的动力尺度综合方法.在建立逆刚体动力学模型基础上,提出一种基于单轴最大驱动力矩全域最大值最小的动力学性能评价指标,该指标可表示为系统尺度和惯性参数及位形的显函数形式,可直接用于观察奇异位形的出现条件.建立雅可比矩阵奇异值的显式,提出一组兼顾速度、精度和刚度的传递角约束方程,通过考察奇异值与运动学性能的关系,可将传递角约束方程转化为性能约束方程,同时配以工作空间/机构尺度等约束条件,利用工程实例研究性能约束对尺度参数和动力学性能评价指标的影响规律,由此综合出在满足上述约束条件下使得系统动力学性能最优的尺度参数.