类Exechon并联模块弹性静力学建模与分析

针对Exechon并联模块动平台摆角范围较小的问题,提出了一种拓扑构型为2RPU1RPS的类Exechon并联模块.在前期完成的概念设计基础上,对类Exechon并联模块进行了自由度计算及运动学逆解分析.采用子结构综合法,建立了计及关节弹性变形和支链体柔性的类Exechon并联模块弹性静力学模型.依托所建模型,计算了该类并联模块极限位姿下动平台的弹性位移和关节约束反力(力矩),并进一步给出了两者在工作空间内的映射.研究表明,模块自重对类Exechon并联模块动平台的弹性位移和关节约束反力(力矩)具有重要影响,其静力学特性在工作空间内随位姿变化明显,且在沿z向的工作截面上呈对称性映射.     

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.     

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.     

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.     

平面三自由度并联机构逆动力学的模块化计算方法

应用模块化计算方法研究了平面三自由度并联机构的逆动力学,计算效率能够满足实时控制的要求.首先对平面三自由度并联机构进行了系统分类和描述,通过对各类支链的运动学及动力学逆解的分析,应用Newton-Euler法建立平面三自由度并联机构的逆动力学模型,提出了平面三自由度并联机构动力学逆解模块化计算软件的系统构架,结果表明该方法适用于各类平面三自由度并联机构的逆动力学自动建模和可重构设计,并给出了一台新型并联机床的分析实例.     

基于螺旋理论的3-RRR并联机构设计与仿真

基于螺旋理论分析了一种3-RRR并联机构的自由度和构型.通过分析动平台和各分支机构的约束螺旋系,构造3-RRR串联分支,运用修正Crübler-Kutabath公式计算出其自由度满足3个转动自由度.基于虚拟样机技术建立3-RRR并联机构虚拟仿真模型,进行正向运动学仿真和工作空间分析,从而找到该机构存在的缺陷,为少自由度并联机构运动学和动力学分析提供保证.     

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.     

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.     

一种新型两自由度高速并联机械手的尺度综合

对含被动支链的两自由度平动并联机构的概念设计进行了研究,归纳了被动支链的几种可能构型.运用螺旋理论对被动支链进行自由度分析,进而提出了一种新型高速并联机械手机构,该机械手包含两条主动支链和两条被动支链,其中被动支链用来对动平台的姿态进行约束,并提高机械手的刚度.在进行运动学分析的基础上,以机械手雅克比矩阵条件数在工作空间上的平均值和最大值的加权值为性能指标,对该并联机械手机构进行了尺度综合.研究表明,该两自由度平动并联机械手可与一单自由度进给机构组合,构成一个三自由度平动混联机械手,适用于工业领域的高速拾放操作.     

一种面向低频隔振的两自由度球面并联机构

针对两转动自由度低频隔振的需求,基于球面并联机构理论提出了一种两转动自由度球面并联隔振装置。从机构学的角度对其进行了工作原理分析和自由度计算,并完成了隔振平台的虚拟样机设计。采用连杆参数的D-H表示法,以连杆圆弧张角为约束条件建立了机构的约束方程,实现了其运动学逆解,并基于数值方法给出了运动学正解的求解过程及正逆解算例。分析和仿真结果表明:所设计的两自由度球面并联机构可操控性强、运动学模型合理有效,能够满足隔振平台所需的低频隔振性能需求。     

4-RPC并联机构及其衍生机构的运动学研究

根据螺旋理论分析了4-RPC并联机构各支链的运动螺旋和约束螺旋,确定了机构的自由度.由于4-RPC并联机构及其衍生机构在结构特性和运动学性能上具有相似性,因此以4-RPC并联机构为例,间接研究了该类机构的运动学特性.     

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·     

一种新型六自由度可重构并联机构的奇异性分析

文中针对一种新型六自由度可重构并联机构进行了奇异性分析。首先利用旋转矩阵法与闭环矢量法建立机构的位置反解方程,然后对其求导并整理成关于机构的输入与输出的矩阵方程形式,依次对输入、输出雅可比矩阵的行列式进行分析,得到机构奇异的位姿关系与分支奇异时的位形,对输出雅可比矩阵不为方阵的构型采用机构的奇异运动学原理建立其奇异的判别方程,并仿真出机构在各个构型下的奇异轨迹。研究结果为该机构在今后的更深入的工作空间、动力学以及控制等方面的研究打下基础。     

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...     

并联机床主运动模块设计的研究

提出了一种新型模块化并联机床的结构模型，采用并联机构实现了机床的主运动。利用机构尺寸型空间模型理论，研究了机床主运动模块平均二自由度机构的运动特性，给出了机构运动学的正反解。研究表明，末端执行器的奇异位形形式与机构尺寸有关，而机构存在着3种类型的奇异位形，其最大工作空间取决于并联机构两支链中较短杆的长度，研究为快捷地设计开发三轴或多轴并联机床提供了基础理论。     

3-RRR型并联机构运动学研究

针对3-RRR型并联机构的输入及输出构件间的位置关系展开研究.基于运动螺旋理论,分析了该机构的自由度性质,并确定了主动副的位置;建立了机构的逆运动学方程及正运动学方程,并对给定运动平台的位姿进行了数值计算,以验证所建立方程的正确性;研究了机构的运动解耦性以及运动平台的工作空间大小与连杆长度变化的关系;最后,对给定运动平...     

3-R(US&SPU)可折叠并联机构的运动学研究

本研究将可展机构的概念引入并联机构,提出一种新型的3-R(US&SPU)可折叠并联机构。首先,利用螺旋理论分析了该并联机构的自由度。其次,建立机构位置运动学模型,推导出运动学逆解的解析表达式;同时,通过建立6个运动方程结合数值方法,得到运动正解的求解方法,进而建立速度雅可比矩阵。最后,通过运动学仿真,验证理论计算的正确性。该机构巧妙地利用结构特点实现了折叠性能,在一定程度上为并联机构占用空间大的劣势提供了一个好的解决方案,具有较好的工程应用前景。