一类少自由度并联构型装备运动学标定方法研究

以一种外副驱动含平行四边形支链的三平动自由度并联机床为对象, 研究少自由度并联构型装备运动学标定方法. 首先建立末端可控与非可控位姿误差与结构误差的映射关系, 并据此构造出具有分层递阶格式的参数辨识模型. 针对少自由度并联机构的特点, 提出一种通过修正系统输入实施误差软件补偿的方法, 并通过实验验证其有效性.     

并联机床的非线性特性及其在插补精度分析中的应用

应用微分几何的观点研究了并联机床关节空间输入向量与工作空间输出向量之间的运动学非线性特性. 提出了应用并联机构正解解轨迹的曲率, 对解轨迹的弯曲和等间距输入映射到解轨迹上的不等间距输出的非线性程度进行度量的方法. 通过对并联机构非线性引起的插补误差的分析, 给出了这种非线性曲率度量方法在涉及并联机构非线性的分析中的应用实例. 以并联机床VAMT1Y为例进行了分析计算, 并与正解数值算法得出的结论进行了比较研究.     

并联机器人执行系统的能效分析

机械执行系统作为机器人等装备的关键组成部分,其能效分析与评价在装备能效研究中具有重要意义.当采用并联机构时,执行系统结构复杂,能效分析困难.针对这种情况,通过分析并联机器人执行系统的能量传递机理,建立了执行系统能效模型和支链功率方程,将能量从驱动单元到末端执行器的传递过程中的支链动能变化作为影响能效的重要因素.在此基础上,结合驱动单元能量耗散特点和末端执行器运动时支链动能变化的各向异性,提出了一种基于支链动能变化率的并联机器人执行系统的功率传递指标,该指标与机构位姿和执行系统几何、质量参数有关,反映了并联执行系统中支链构件对能量传递的影响,以及支链几何参数与执行系统能效之间的关系.分别以一种二自由度平面机器人和一种五自由度空间并联机器人为例,给出了功率传递指标的求解过程,分析了工作空间内机器人执行系统能效大小分布情况和高能效工作区域范围.所提出的功率传递指标可用于评价并联机器人执行系统的能效,并进行并联机器人高能效执行系统的设计.     

少自由度并联机器人机构的型综合原理

通过分析少自由度并联机器人机构的结构约束螺旋特性和几何条件, 建立了少自由度并联机器人机构型综合理论, 并用此对少自由度并联机器人机构进行了综合, 得到多种有应用前景的机构.     

少自由度并联机构的位移流形综合理论

提出了少自由度并联机构基于李群理论的位移流形综合理论. 给出了全部9类少自由度并联机构的机构位移流形, 分支位移流形和保证所有分支位移流形之交集为期望机构位移流形的几何条件. 利用位移子群乘法运算的封闭性, 可得到不同结构的分支运动链. 使用这些分支运动链, 满足相应几何条件即可构建出具有期望自由度的并联机构, 并且其优点是无需判别机构的瞬时性, 依据此原理可以进一步根据多方面的实际需要综合新的机型.     

基于螺旋理论的转动解耦并联机构型综合

随着并联机构研究的逐步深入,其内部耦合性的存在给其理论分析和实际应用所带来的困难愈发凸显.而作为在空间定向领域已获广泛应用的转动并联机构,目前绝大多数并不解耦.基于螺旋理论,通过分析转动并联机构自由度与分支自由度间关系,确定了并联机构转动条件;由分支运动螺旋系建立了分支型综合准则,保证了分支中转动的解耦;提出了输入运动副选择原则,形成了转动解耦并联机构型综合方法,并依此对转动解耦并联机构进行了综合.     

一种2自由度球面并联机构动力学建模与伺服电机参数预估

TriVariant-B是一种新型5自由度混联机械手,由一个2自由度球面并联机构和1条与之串接的两转动一移动串联运动链组成,具有工作空间／支链行程比大及可重构性强等优点．在建立其2自由度球面并联机构逆动力学模型的基础上,提出一种可根据对末端执行器速度及加速度要求,预估机构中伺服电机转子惯量、额定转速及峰值转矩的方法,并结合样机开发验证了该方法的有效性．     

并联机构构型分岔与保持性研究

并联机构在奇异位置处的构型具有不确定性. 如何控制机构按给定的构型通过奇异位置, 是并联机器人机构控制的关键问题之一. 采用奇异性理论对平面3DOF并联机构的分岔性态及其构型稳定性进行了研究. 利用Liapunov-Schmidt (LS)约化, 对构型约束方程进行了降维处理, 得到一维分岔方程. 分析了芽空间分岔点附近构型不确定的原因, 根据强等价条件, 得到了与原方程分岔性态一致的Golubitsky-Schaeffer正规形. 通过对分岔方程普适开折, 研究了输入构件长度误差等扰动因素对分岔点处构型保持性的影响, 找到了具有构型保持性的构型分岔曲线. 在该构型分岔曲线上, 机构可以按保持的构型通过分岔点     

探月工程3UPS-PU并联机构的动力学建模与分析

根据探月工程采样封装专项试验的要求,提出了一种3UPS-PU并联机构作为模拟着陆上升组合体在月球表面着陆姿态的实验平台。以此机构为研究对象,对其约束方程和位姿关系进行了分析,推导出驱动支链的杆长表达式和雅可比矩阵。在此基础上,利用虚功原理对该机构进行了动力学分析,建立了动力学模型。最后对典型工况进行MATLAB和ADAMS仿真验证,得到了驱动支链的杆长和驱动力变化规律,且仿真结果的误差非常小,验证了分析方法的正确性和可行性,解决了3UPS-PU并联机构运动学和动力学相关的一系列问题,同时该方法也适用于类似机构的研究与分析。     

基于 SimMechanics的6 PTS并联机构仿真与分析

简要介绍了某种大工作空间快速运动并联机构,基于动平台和基座滑块之间的矢量关系推导出该机构的运动学逆解,并利用 SimMechanics仿真工具对该机构进行了仿真研究.通过对仿真结果的分析,该机构运动平稳、驱动力变化连续平滑,运动学及动力学性能良好,验证了机构的合理性;通过对该机构的优化设计,提高了该机构的运动学及力学性能,为进一步的结构综合尺寸优化奠定了基础     

一种两自由度球面并联机构的建模与分析

基于空间位姿变换和三面角余弦定理,对一种具有两转动自由度的球面并联机构进行运动学建模与分析,从而确定驱动器和末端执行器之间的角度、角速度和角加速度关系。采用虚功原理和一阶影响系数矩阵建立该机构的动力学模型,并通过数值仿真,求解了机构的逆动力学,进而得到了驱动力矩的变化规律。结果表明,运动轨迹规划不当会导致驱动转矩2过大,甚至超出了伺服电机的最大转矩,因此需要对机构的运动规划进行进一步优化,提高其稳定性和可靠性。该研究对提高该机构的运动稳定性和运动控制提供了理论基础。     

一种规避并联机构转向点奇异问题的新方法

提出了一种规避并联机构转向点奇异性问题的扰动函数方法．通过研究并联机构的构型分岔特性发现,单输入参数下的第2类奇异问题属于转向点奇异类型,并将并联机构通过转向点的模式划分为：保持的构型、非保持的构型和轨迹路径构型3种方式．研究扰动对构型分岔特性的影响表明,扰动使未受扰动系统的构型曲线在奇异位置附近被有限分离,且没有共同的奇异点．根据这一发现,提出了规避并联机构转向点奇异性问题的扰动函数方法,并给出了并联机构以保持的构型和非保持的构型通过转向点奇异位置的扰动函数构造方法．     

平面三自由度并联机床的分步运动学标定

针对一台平面3自由度并联机床的运动学标定,提出一种基于最少参数线性组合的分步运动学标定方法．该方法利用并联机器多参数耦合误差传递系统中的参数线性组合映射关系,将一般运动学标定中参数的误差建模、辨识和误差补偿,改变为参数线性组合的误差建模、辨识和误差补偿．首先由最少参数线性组合的4个定理进行辨识性分析,确定出影响机床终端绝对和相对精度的最少参数线性组合;然后给出工程实际中常用的基本绝对测量方式和基本相对测量方式,逐一进行最少参数线性组合的辨识性分析,抗干扰指标的抗扰动性能计算,兼顾测量成本的条件下,设计出最少参数线性组合的分步测量方案、分步辨识和分步误差补偿方案,完成运动学标定．最终的实验结果证明这种方法具有如下优点：（1）消除了其他无关参数的影响;（2）反映了误差传递中的参数线性组合映射关系,提高了参数辨识的准确性;（3）方法简洁高效,最终的机床精度已经接近测量扰动精度．因此,该方法不仅可用于这台平面3自由度并联机床,也可适用于其它运动学非线性弱的并联机器．     

平面柔顺机构大挠度弹性静力学分析的低维参数化曲率模型

针对以均质细长弹性梁为柔性构件的平面柔顺机构,通过采用Bernstein多项式逼近柔性梁弯曲曲率,提出了一种适用于大挠度强几何非线性弹性静力学分析的低维参数化曲率模型,并给出了基于高斯积分和牛顿拉弗森迭代的数值求解算法.该建模方法的特点是直接以柔性梁弯曲应变即曲率为基本未知场函数,以Bernstein多项式试函数的待定系数为基本未知量,基于最小总势能原理建立系统的几何非线性静力平衡方程.因而避免了传统基于位移的建模求解算法通过求导计算弯曲应变能引入的数值误差,并降低了试函数的光滑性要求,建模精度高、数值计算收敛速度快且直曲梁通用.同时所求参数化曲率解与坐标系无关,具有丰富的几何和力学意义,既能实现刚体位移和柔体变形的统一建模,又能高效呈现细长梁大挠度弯曲复杂、丰富的变形信息.通过多个算例的建模分析,数值计算结果充分证明了本文方法的有效性和优越性.     

基于成对曲线组合的柔顺机构设计

采用拓扑优化技术进行柔顺机构设计成功与否在很大程度上取决于所采用的机构几何表述方式.本文提出了一种全新的基于成对曲线组合（对线组）的表述方式.这种几何表述方式,首先确定机构的输入输出区域.虽然在初始阶段不知道机构在设计域的分布,但是载荷加载需要借助机构输入输出点,因此必须有至少一个加载区域,一个支撑区域和一个输出区域.将这些输入输出区域利用成对Bezier曲线直接或间接连接起来形成一种可以承载负荷的柔顺机构.这种几何表述方式生成的机构边界为曲线函数之组合,解决了拓扑优化设计中的锯齿和模糊边界问题,并且可以同时进行形状和拓扑优化并且保持结构边界的光滑,没有棋盘格现象和中间密度单元等.基于对线组进行柔顺机构表征,会产生一些复杂的结构,基于FG-FEM有限元法进行仿真分析求得响应.研究柔顺机构拓扑优化设计理论与方法,采用图的形式对机构对象进行编码,利用遗传算法的全局寻优能力寻找全局最优解,数据算例的结果表明,提出的方法正确有效.     

基于真实机器的装配公差分析方法

机器上目标要素的位置误差是零件几何误差和装配误差共同作用的结果．为了研究装配基准的几何误差在装配链中的传递和变换,提出基于真实机器模型的装配积累误差建模与分析方法．首先,采用控制点变动模型表示零件几何要素,利用蒙特卡罗模拟方法生成几何要素相对于公称位置的变动实例．然后,根据理论正确尺寸确定几何要素相对于基准参考框架的公称位置．第三,提出基准参考框架建立方法,根据基准要素实例确定目标要素的测量基准参考框架．最后,提出装配接触模型,根据装配顺序和基准要素位置实例确定测量基准参考框架相对于装配基准体系的位置．通过以上4个过程计算装配链中所有关联要素在机器坐标系下的位置,获得装配基准体系的几何误差在装配链中的转递和变换关系．将真实机器装配情况模拟分解为4个模块化过程,可以实现装配误差分析的自动化．以三平面定位的轴孔装配的装配间隙计算为实例,验证了本文提出的方法．     

Gough-Stewart平台微分运动特性分析与综合

在Gough-Stewart平台一阶微分运动关系式的基础上,给出了机构末端执行器最大速度的上界;利用二阶微分运动关系式,导出了关节加速度与末端执行器速度之间的关系;讨论了机构基本构型参数对它们的影响规律. 在上述结论下,解决了基于Gough-Stewart平台数控机床设计中根据进给能力需求优化构型参数、确定关节伺服轴极限转速,以及在数控编程中由机床构型参数、关节伺服轴极限转速和加速度评价刀具进给能力的软极限的两类互逆问题.     

人体动脉血管的粘性流体力学模型与中心动脉血压估计

中心动脉血压与心血管疾病有着密切关联,准确的中心动脉血压估计是心血管病,特别是高血压病管理的关键技术.现有中心动脉血压估计方法,如通用传递函数法和多点移动平均法,均基于临床实验和经验,缺少系统理论基础且为通用方法,不能排除心血管个体差异对估计结果的影响.我们从粘性流体力学控制方程出发,建立了人体动脉血管网络模型,由测量出的桡动脉起始端和末端血压波形计算出被测者的动脉血管网络模型个性化参数,并由此推导出升主动脉—桡动脉传递函数,从测出的桡动脉血压波形计算出中心动脉血压波形为区别于现有中心动脉压测算方法,我们的方法简称为＂模型法（MCAP）＂.该方法不仅具有理论依据,也考虑了不同个体的心血管特性（如：血管顺应性、血流阻力、血液流动惯性）,保证了估计结果的可靠性和准确性.我们在北京医院对50例被试进行中心动脉血压计算实验.实验结果表明,通过模型法（MCAP）得到的中心动脉血压波形优于通过通用传递函数法（GTF）和多点移动平均法（NPMA）得到的结果（与侵入式血压波形的相关系数：rMCAP=0.9667,rGTF=0.9025,rNPMA=0.8099）.基于模型法计算获得的收缩压与舒张压结果（误差均值（SBP/DBP）=3.9mmHg/3.6mmHg,误差标准差（SBP/DBP）=7.7mmHg/2.9mmHg）符合AAMI标准（误差均值5mmHg;误差标准差8mmHg）.     

刚柔分级并联驱动宏微复合运动平台设计

高速精密定位是电子制造的要求,轴系摩擦是影响精密定位的重要因素.目前,微米级以上精度必须通过消除摩擦影响的方式来实现,成本很高.本文将大行程的直线电机平台与无摩擦的柔性铰链导向机构结合,提出了一种并联驱动的宏微复合设计新方案,克服了现有宏微复合平台存在的输出饱和问题.具体做法是在无铁芯永磁直线电机模组中,安装两套驱动和测量反馈系统,分别用于驱动宏运动平台和与之通过柔性铰链相连的微运动平台.宏运动平台通过直线导轨滑块"刚性"机械连接系统实现大行程高速运动,微运动平台通过基于柔性铰链的"柔性"连接来快速补偿"刚性"宏运动平台的误差,最终实现大行程高速高精度运动.本文利用上述刚柔分级运动方案,通过基于动力学响应的运动规划方法进一步抑制了高加速运动平台的定位残余振动.基于柔性铰链的微运动系统较之宏运动系统具有更快的响应速度和更小的跟踪轨迹误差,从而实现在高加速运动过程中宏/微驱动力叠加来实现快速运动,同时在匀速与低速定位过程中微驱动器产生反方向作用力来快速补偿宏运动平台的运动误差来实现高定位精度.实验表明,本文提出的宏微复合驱动方案,通过机构的创新,可有效降低控制的复杂度,并实现了高精密快速定位,可以为微光电子制造装备亚微米级高速定位平台设计提供崭新的途径.     

Gough-Stewart平台运动学设计理论与方法

以Ｇｏｕｇｈ－Ｓｔｅｗａｒｔ平台为对象，根据位置空间的几何形状特征，提出了工作空间半径比的概念，导出了局部灵活度和工作空间半径比的解析解答。通过单调性分析提示出设计参数对上述运动学指标的影响规律，并提出一种在不发生支链干涉条件下，可使末端执行器具有给定姿态能力，且使局部灵活度和工作空间半径比加权最优的尺度综合方法。