悬臂式3D打印机三移两转混联解耦机构设计研究

针对当前3D打印装备存在工作空间大、运动/力传递性能差的问题,设计了一种悬臂式3D打印机三移两转混联解耦机构。依据解耦原则,建立串联单元解耦支链;并利用串联支链构型构成解耦并联单元。依据机器人末端一般运动特征集设计三移两转混联解耦机构,确定第一类混联机构的组合方式;最终基于雅克比矩阵秩设计出悬臂式3D打印机三移两转混联解耦机构。实验结果表明,相对于传统的混联机构,设计的混联机构优质工作空间大、运动/力传递性能高、实用性较强。     

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。     

一种可重构空间四杆机构

提出一种可重构空间四杆机构,其具有两种不同的工作模式,模式Ⅰ为一个转动运动,模式Ⅱ为一个平移平动,两种运动模式进行切换的初始位形具有瞬时的一个转动和一个平动.将可重构空间四杆机构与一个具有两移动和两转动的串联支链相连,构成一种具有两种不同工作模式的可重构混联支链.利用3条可重构混联支链连接并联机构的固定平台和运动平台,可得到一种新型可重构并联机构,通过控制3条可重构混联支链分别在两种不同工作模式间切换,可重构并联机构可实现4种不同的三自由度运动模式.利用螺旋理论分析和证明了上述结论.     

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.     

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。     

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。     

融合远心运动机构与串联机械臂的穿刺手术机器人系统研究

针对现有穿刺手术机器人远程中心运动(RCM)无法兼顾安全性、精准性及空间有效性的问题,提出结合RCM机构和多自由度串联机械臂,研制一款混联式穿刺手术机器人系统。首先,基于双平行四边形机构设计机器人末端RCM执行机构,用于保证穿刺手术过程中远程中心运动的精度与安全性;然后,结合串联机械臂搭建穿刺手术机器人系统以保证较大的工作空间;最后,设计混联式机器人与现有基于主动式RCM约束(ARCMC)的通用串联穿刺手术机器人系统RCM的定位精度对比实验。结果表明,与基于ARCMC的机型相比,所设计穿刺辅助机器人系统的远端中心俯仰运动和翻滚运动位置误差分别降低了52.6%和59.7%,且其工作空间也远高于基于被动式RCM约束(PRCMC)设计的穿刺手术机。由此可以证明所设计的混联式穿刺手术机器人系统在穿刺手术辅助方面的性能更好。     

五自由度混联机构运动学及工作空间分析

提出了一种新型的五自由度混联机构,该机构由三自由度移动的完全解耦并联机构和二自由度转动的串联机构构成。为获得该混联机构的运动学模型及性能参数,描述了机构的组成模块,并计算了其自由度数目。基于几何法和D-H(Denavit-Hartenberg)法,求解了混联机构末端位姿理论参数模型,利用ADAMS软件对其进行了运动仿真。基于ADMAS运动仿真结果,采用边界搜索法分析了混联机构的位置、姿态工作空间。结果表明,该五自由度混联机构末端姿态灵活、工作空间大且无奇异位形,具有良好的应用前景。     

基于螺旋理论的2T2R完全解耦并联机构构型综合

针对并联机构的运动往往是非线性、强耦合的问题,基于螺旋理论和支链独立驱动原则提出了两移两转(2T2R)类完全解耦并联机构构型综合方法.首先,根据2T2R完全解耦并联机构的运动特征和完全解耦并联机构的正、逆雅可比矩阵必为对角阵的要求,利用螺旋理论来构造满足期望形式的正、逆雅可比矩阵;其次,根据正、逆雅可比矩阵所要满足的条件,确定支链驱动副作用于动平台上的使动螺旋,再得到该使动螺旋对应支链上的表示驱动副的驱动螺旋和除驱动螺旋之外的其他运动螺旋系,据此可完成支链结构螺旋系的配置;最后,根据并联机构运动原理依次取出4条支链连接动平台和定平台得到并联机构.综合的完全解耦并联机构的输出运动是由支链上独立的输入驱动提供的,且机构的正、逆雅可比矩阵在运动过程中始终保持为对角阵,所以属于完全解耦并联机构,此类机构控制简单,具有一定的应用前景.     

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.     

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.     

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...     

利用分形理论的3T1R混联机构型综合

为综合得到三移动一转动(3T1R)混联机构,利用分形理论和机构拓扑图,提出了一种全新有效的混联机构型综合方法,主要思想是将混联构型转化为连杆机构,机构拓扑图作为连杆机构的主体,运动副作为杆件的组成元素。根据分形理论,对机构拓扑图进行有序分形,并通过输出位移子集的排列组合和适配运动副,实现了混联机构构型的多样化。提出了可用于求解复杂机构拓扑图的多路径输出的路径法则,并且规定了用于推导运动副位移子集的串并联计算方法。根据机构拓扑图和分形方式,将混联机构按有、无横向支链分为2种类型。建立了分形与混联机构的关系模型,在数理逻辑关系上使机构设计与分形理论得到了统一。采用Matlab编程的形式综合出了3T1R四自由度混联机构,实现了其中一个混联机构的构型设计,并验证了构型设计方法的正确性。     

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.     

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.     

3自由度冗余驱动下肢康复并联机构的运动学优化设计

研究了一种用于下肢康复的3自由度冗余驱动并联机构的概念设计和运动学优化.首先对该3自由度并联机构进行了简要介绍,然后推导了其运动学正逆解的解析解.基于螺旋理论,对该机构进行了广义雅可比分析,通过对4种非冗余驱动情形的力/运动传递性能分析,提出了一种用于评价该并联机构运动学性能的局部传递率指标.最后,借助于遗传算法,通过最大化局部传递率指标的全域平均值对该机构的设计变量进行了优化.运动学优化的结果表明,本文所提出的并联机构在其工作空间内具有较好的力/运动传递性能.     

兼顾速度特性的三自由度混联机床尺度设计

以设计高速混联机床为目的,研究了一种两自由度并联机构的设计方法。建立了机构的运动学正逆封闭解方程、作业空间解析解和速度传递方程。根据机床的特点,定义出速度输出率和全域速度输出率指标,明确了机构输入和输出速度与设计参数之间的关系。提出一种兼顾速度和作业空间要求的并联机床尺度设计方法,并进行了具体的设计计算,结果证明该方法可行。基于此并联机构,给出了一台高速三轴混联机床的概念设计。     

基于运动元素分解与综合的机构自由度拓扑分析

在分析空间任意单一移动或转动关节在固定坐标系三维坐标轴上分解运动元素的基础上,并通过坐标齐次变换映射得到其在固定坐标系的等效空间运动元素,然后将各关节的等效运动元素再进行空间三维分解,得到对应支链的等效主移动、等效副移动、等效转动运动元素集合。通过构建与固定坐标系三维坐标轴一一对应的三条移动运动元素集合拓扑表示线,并在其右侧对应构建运动元素集合拓扑表示线,将支链上各关节的等效移动或转动元素集合通过水平区间线表示。针对串联、并联、混联机构的不同形式,本文利用运动元素拓扑表示线,对应给出不同的运算和分析方法,从而得到其自由度的构成和数目。     

柔索驱动混联机器人的结构设计与研究

文章针对传统串联机器人转动惯量大、刚度小等问题提出并设计了一款柔索驱动混联机器人。利用共轴球面并联机构通过走线设计将驱动单元安装在基座实现柔索驱动,模块化设计实现串、并联机器人的构型;然后根据机械结构和运动特性,利用SD-H法和矢量法对混联机器人进行运动学建模并分析验证;仿真实验采用B样条曲线进行轨迹规划,研究机器人关节柔顺性。实验结果表明,柔索驱动混联机器人具有较小的转动惯量、较好的柔顺性和较大的刚度。     

一类轴孔装配混联柔性机构构型综合

被动装配是实现轴孔高精度配合的重要方法之一,其基本原理为柔性装配机构针对外界装配力与装配反力做出自适应柔顺变形,补偿由于工业机器人定位误差导致的轴孔中心线位移偏差及倾角偏差.作为被动装配方法的核心使能部件,柔性装配机构的性能直接决定装配成功与否,为此,开展了一类基于五自由度混联柔性机构轴孔装配的方案设计和柔性机构构型综合研究.该机构由分别具有2T1R(T表述移动运动,R为转动运动)和3R自由度运动的柔性并联模块串联组成,并采用片弹簧作为实现柔顺变形的基本柔性单元.在整体方案设计的基础上,以旋量作为数学工具,提出一种并联柔性机构构型综合的一般流程,讨论在片弹簧不同变形情况下的支链组成形式,拟定支链装配条件.结合实际工况,本文优选出3-RFS-3-RFS作为轴孔装配的柔性机构,利用有限元软件对得到的机构进行仿真以验证机构自由度及各向柔度,仿真结果表明该机构具备五自由度且各向柔性差异小于0.05%.搭建了轴孔装配实验台,装配实验结果表明对于直径为20 mm与10 mm的轴孔对,装配成功率分别可达90%与70%.