六自由度混联机构运动学分析

混联机构结合了并联机构和串联机构两者的优点,有效地扩大了机器人的应用范围.提出了一种由两个不同的三自由度并联机构串接而成的混联机构,对其进行运动学分析,分别求取上下两个并联模块的运动学正解方程,从而得到整个混联机构的运动学正解.通过给定机构结构参数和驱动输入参数,用一组算例求得运动学动平台位姿,并画出三维机构位姿状态图模型,更加直观地了解机构的位姿状态.然后求解其运动学逆解,按照运动学正解结果,给定机构的两组位姿,求得此时机构的驱动输入参数及各转动副的状态,对比正反解的结果,进而验证了双并联型混联机构运动学正反解模型的正确性.最后,在运动学分析的基础上,利用极限坐标搜索法,结合混联机构的运动学反解,给出机构工作空间求解的算法.给定机构的结构参数,考虑杆长约束、关节转动副约束及杆件干涉等影响条件下,利用数值搜索法在圆柱坐标系中搜索工作空间的边界.在Matlab软件中仿真得到混联机构在给定不同姿态下的位置工作空间和给定位置下的姿态工作空间.     

2DOF空间3-RPS并联机器人位置运动学混合算法

空间2自由度并联机构可用于高作用力下精确控制姿态的两个分量的工作场合.建立了2自由度3-RPS并联机器人的位置运动学约束方程;对其正逆运动学算法进行了讨论.对求解并联机器人位置正解的杆长搜索法进行了改进,并结合解非线性方程组的拟牛顿法,提出了一种能解决方程组多解并且计算精度较高的混合算法,推导了2自由度3-RPS并联机器人位置反解的求解过程.通过实例验证了算法的正确性和所能达到的精度.     

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.     

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。     

3-RRRT并联机器人运动学和奇异位形分析

本文以3-RRRT并联机器人为研究对象,利用矢量法建立了解析形式的运动学方程,得出该机构每个支链的逆运动学有4个反解,因此机器人具有64组反解．利用MATLAB软件给出了第一支链的4个解和该机构逆运动学的一组解．基于雅克比矩阵的可逆性,研究了3-RRRT并联机器人的正逆运动奇异问题．结果表明：利用矢量法进行逆运动学问题分析更为简洁和方便．     

3-DOF并联机器人奇异位形分析

通过对3-DOF并联机器人机构的分析,采用UG建立其三维模型;采用空间闭环向量法建立运动学反解方程,得到其全部解;通过MATLAB软件对机器人运动学进行数值仿真,以验证位置反解的正确性.采用求导法求出了雅克比矩阵,在此基础上对奇异位形进行分析.     

类Exechon并联机构模块可重构概念设计与运动学分析

可重构与模块化设计是实现并联机构多功能、提升装备加工柔性的关键技术.受商用Exechon并联机构模块优异性能的设计启发,在其变异机构Exe-Variant的基础上,应用机构变异思想提出两种类Exechon并联机构模块——Exe-Ⅰ和Exe-Ⅱ.基于可锁定关节、模块化支链以及可重构并联机构的设计思路,依次开展Exechon、Exe-Variant、Exe-Ⅰ和Exe-Ⅱ等4种类Exechon并联机构的模块化、可重构概念设计.针对以上并联机构模块进行运动学分析:运用螺旋理论分析类Exechon并联机构的系统螺旋系,构建类Exechon并联机构的系统全雅克比矩阵,依次分析机构自由度和奇异性;通过矢量闭环方程推导其逆运动学模型和动平台连带运动;以"分层切片"的工作空间搜索方法预估其工作空间.运动学对比分析表明:对类Exechon并联机构模块开展的可重构设计,保留了并联机构的自由度类型和结构奇异性特征,并显著改善了部分类Exechon并联机构的逆运动学连带运动的复杂程度以及动平台可达工作空间的分布.最后,借助3D打印技术制作了Exe-Ⅰ并联机构模块的原理样机,运动学精度实验结果与理论分析结果吻合较好,数据的绝对误差在±0.4 mm以内,并且其相对误差不大于实验值的3.2%,验证了运动学分析的正确性.本文提出的可重构与模块化概念设计,可为类Exechon并联机构模块的高效可重构设计及其工程应用提供关键技术支撑.     

集成2R1T并联机构的艾灸辅疗机器人概念设计与运动学分析

设计一种用于艾灸辅疗的新型五自由度混联机器人机构，该机构由2UPS&1UPR&1UP并联模块和2R串联模块组成.首先，给出该混联机器人的概念设计方案，并运用螺旋理论分析2UPS&1UPR&1UP并联模块的自由度，建立该混联机构的运动学模型并推导其位置逆解的解析解，进而求得全局雅克比矩阵和奇异位型.在此基础上，采用“分层切片”的搜索方法得到该艾灸机器人的可达工作空间.最后，制作概念样机，并通过运动位姿实验验证运动学逆解与工作空间分析的正确性.研究表明，所提混联机器人机构具有大转角和大工作空间的性能优势，可以满足艾灸辅疗流程对器械运动形式与工作空间的需求.     

平面2自由度冗余并联机构的运动学分析

该文详细描述了机构运动学分析中的位置正解和位置逆解之间的关系,分析了解析法和代数法求解的优缺点。利用代数解析法原理分别求出一种平面2自由度冗余并联机构的运动学逆解和运动学正解,通过解的对比可知,逆解不唯一,共有8组,正解也不唯一,共有2组。利用位置方程求出速度雅克比矩阵的表达形式。利用MATLAB软件,对该机构的运动轨迹包括沿直线行走和沿圆弧行走的轨迹进行运动学仿真,求解出速度、加速度曲线。     

Workspace and rotational capability analysis of a spatial 3-DoF parallel manipulator

The analysis on the workspace and rotational capability of HANA, a spatial 3-DoF parallel manipulator, is concerned. The parallel manipulator consists of a base plate, a movable platform, and three connecting legs. The moving platform has three degrees of freedom (DoFs) which are two translations and one rotation, with respect to the base plate. The new parallel manipulator is very interesting for the reason of no singularity in the workspace, the single-DoF joint architecture and high rotational capability of the moving platform. The inverse kinematics problem is described in a closed-form, which is very useful to present the workspace geometrically. The constant-orientation and reachable workspaces for the manipulator are analyzed firstly. The index that is used to evaluate the rotational capability of the manipulator is defined and discussed in detail. Finally, the distribution of rotational capability index on the workspace is presented, which helps us know how much the index is at different point. The parallel manipulator has wide application in the fields of industrial robots, simulators, micro-motion manipulators, and parallel kinematics machines.     

可移动多维振动时效机器人设计与运动学分析

针对现有振动时效技术的不足,为解决多维激振作业的需求,设计了一种在3-UPU并联结构支架基础上串联3条机械臂的混联式多维振动时效机器人,拓展了末端执行器的自由度及工作空间。运用ADAMS对并联支架进行运动学分析;基于D-H参数(Denavit-Hartenberg parameters)对机械臂进行建模,并对串联机械臂进行正运动学求解,运用MATLAB对机器人机械臂Ⅱ的工作空间进行求解,解出激振器工作空间的范围。验证了机械臂末端执行器工作区间的可行性。多维振动时效机器人机械臂拥有良好的工作性能,提高了振动时效的工作效率,机械臂间相互协同满足多维振动时效的作业要求。     

Mobility and constant-orientation workspace analysis of 4UPS-UPU parallel mechanism

One of the key issues for parallel mechanism is the kinematic characteristics, especially the workspace which varies with configuration parameters. A kind of 4UPS-UPU parallel mechanism is designed and its workspace is studied in this paper. First, the mobility of the 4UPS-UPU parallel mechanism is analyzed based on the reciprocal screw theory, and the motion and constraint screw systems of the parallel mechanism are obtained. Then the inverse kinematics is derived by the closed-form kinematics chain. The boundary search method in the polar coordinate system is presented to analyze the constant-orientation workspace of the parallel mechanism. Finally, the influence factors relevant to the workspace, such as the structural parameters and kinematics parameters are analyzed in detail. The relationship between the workspace volume and different parameters are obtained. The conclusions can be used for parameters optimization and path planning of the parallel mechanism.     

2-RRC-SPS并联机器人工作空间的研究

提出了一种并联机器人工作空间分析的解析方法,该方法以曲面分析为基础,结合并联机器人的运动特性,得到了并联机器人工作空间边界曲面的方程.以2-RRC-SPS并联机器人为例,分析计算了其工作空间.在此基础上,描绘出了并联机器人工作空间边界曲面及截面视图.分析结果表明2-RRC-SPS并联机器人的理论工作空间是一个不规则的实心球体,该机构具有几何形状规则的作业空间,是一种较为理想的能实现三维移动操作的并联机构选型,获得的结果可应用于该并联机构的设计之中.     

4自由度串联式机械手轨迹运动学的分析

为了实现4自由度串联式机械手的轨迹控制,为实验室设计一种4自由度串联式机械手的结构,基于D-H坐标变换理论,建立了该机械手位置运动学模型,研究了该模型的正、逆解问题。通过计算机仿真,验证了该模型及其正解的正确性。以此为基础,分析了该4自由度串联式机械手的工作空间,并导出该模型逆解的解析式,为实现该机械手的轨迹的精确控制奠定了基础。     

一种新型三平移并联机器人位置与工作空间分析

提出了一种解耦性比较强的三平移并联机构,建立了该机构的正反解方程,运用雅可比矩阵判断了机器人的奇异位形.采用位置正解映射法分析其工作空间,为其设计和实用化提供了理论依据.     

机械手工作空间边界曲面的解析表达式

机械手工作空间的研究是机器人运动学的一个重要课题。机械手工作空间讨论的问题之一是确定工作空间的边界曲面。本文利用虚位移原理导出了工作空间边界的必要条件,进而推导了边界的约束方程,最后给出了工作空间边界曲面的解析表达式。文中最后对3个例子进行了讨论。     

3-PRRU并联机器人位置反解和奇异位形的研究

针对一种新型机构3自由度3-PRRU并联机器人,应用Denavit-Hartenberg(D-H)方法建立了该机构的运动学方程,得出理论上具有64组位置反解的结论,采用matlab软件对反解进行了数值仿真.最后用雅可比矩阵行列式获得奇异位形条件方程,对此并联机构的奇异问题进行了分析.     

3-RRRT并联机器人的位置正解研究

本文介绍了一种新型3-RRRT并联机器人的特点,推导了该机器人的位置反解方程,获得了其位置反解,采用数值方法给出研究了该并联机构的运动学正解.运用Matlab软件计算进行了验证.     

一种新型3-UPS并联机构及其工作空间分析

设计了一种新型3分支6自由度3-UPS并联机构,建立了该机构的运动学反解模型,给出机构主要约束,应用三维极坐标边界搜索方法绘制出在定姿态工作空间截面图和边界三维实体图,分析了机构参数对工作空间体积大小的影响规律,为机构参数的选取提供了依据。该并联机构工作空间大、连续性好,适合作为机器人步行器的腿结构。