2T1R并联机构位置及奇异性分析

基于有序单开链单元原理提出了一种两平移一转动(2T1R)并联机构.进行了机构的自由度和运动输出特性分析;同时对机构的位置进行了分析,求出动平台位置的正、逆解析解;并对机构的奇异性进行了研究,讨论了机构的几种奇异位形,通过Matlab软件编程,绘出机构奇异时动平台的位置随姿态的变化情况.     

运动分岔并联机构运动学性能分析

提出一种具有运动分岔特性的并联机构，利用螺旋理论分析了其自由度和运动分岔特性，结果表明当机构处于运动分岔点时，动平台拥有5个自由度，通过驱使不同驱动副，机构可以演变成具有不同运动分岔特性的构型，包括三移动一转动，两移动两转动。为实现两种构型合理切换，采用刚化驱动的方法，选取合理的驱动副。分析并联机构在不同构型下的运动学正反解，得出在两种构型下运动反解方程与正解方程的解析解，机构具有较好的运动解耦性，利用ADAMS验证了运动正反解的正确性。通过雅可比矩阵分析了机构的奇异位形，结果表明在合理的工作范围下两种运动模式均没有奇异位形。绘制了机构的工作空间。基于运动/力传递性能方法分析了机构性能指标，得到了工作空间内的性能分布图，结果显示两种构型都具有较好的运动/力传递特性，优质工作空间大。     

四自由度混联机器人运动学分析与仿真

根据串联机构和并联机构的特点,以两平移一转动并联机构为主体,设计了一种四自由度混联机器人,该机器人动平台自由度为三平移和一转动,同时,在并联机构动平台和虚拟固定平台间增加一辅助支链,该辅助支链具有独立的转动自由度。与具有同样运动特性的并联机构相比,该机器人的工作空间大,转动灵活。分析了该机器人的运动学特征,求出其位置正反解析解,利用运动影响系数对其速度和加速度进行了系统研究,并进行了动态仿真验证。     

低耦合度且部分解耦的3T1R并联机构设计与分析

三平移一转动(3T1R)并联机构具有拓扑结构复杂、耦合度高、输入-输出运动不解耦,且易出现奇异位置等问题。根据基于方位特征(Position and orientation characteristic,POC)方程的并联机构拓扑设计理论和和冗余支链消除奇异位置原理,首先,提出了一种含冗余支链的低耦合度、运动解耦、大转动能力的3T1R并联操作手新机构;其次,对其进行拓扑结构分析,主要包括POC集、自由度、耦合度以及运动解耦性分析;再次,建立了基于序单开链法运动学建模原理的位置正解求解模型,并应用一维搜素方法求解了该并联机构的位置正解;基于导出的机构位置逆解,分析了机构的工作空间、转动能力及奇异性条件;阐明了冗余支链可避免奇异位置,并能增加机构刚度;最后,给出了机构动平台的速度、加速度变化规律。本文为该操作手的机械设计、动力学分析、样机研制奠定了理论基础。     

两平移两转动多自由度减振平台设计与试验

采用两平移两转动并联机构为减振平台主体结构,在并联机构主动副处辅以弹簧阻尼装置,运用反向自适应原理,实现两平移两转动多自由度耦合振动衰减。对两平移两转动多自由度减振平台进行了系统结构设计、理论分析和ADAMS仿真分析,并制作样机进行了试验分析。样机仿真和试验分析结果表明,两平移两转动多自由度减振平台设计理论和分析方法是正确可行的。     

2T1R弱耦合并联机构的运动学和奇异性分析

提出了一种弱耦合空间三自由度并联机构,机构动平台具有二维移动和一维转动自由度,3个主动副均位于静平台上.分析了其位置的正、逆解析解,建立了机构驱动关节速度和动平台速度之间的矩阵映射关系,并对位置和速度的逆解进行了仿真.根据机构奇异性分类,讨论了各种奇异位形存在的条件.     

零耦合度且部分解耦的3T1R并联机构设计与运动分析

零耦合度(κ=0)且运动解耦的三平移一转动(3T1R)并联操作手机构,不仅其运动学和动力学分析简单且能得到解析解,实时控制也较容易。根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论和冗余支链消除奇异位置原理,设计了一种含冗余支链的3T1R并联操作手机构,对其进行拓扑结构分析,主要包括POC集、自由度、运动解耦性以及耦合度分析,表明其耦合度为零且具有部分运动解耦性;根据提出的基于序单开链法的运动学建模原理,方便地求解出机构的位置正解解析解;基于导出的位置逆解公式,分析了机构的工作空间、转动能力及其奇异性条件;推导出机构动平台的速度、加速度变化规律。     

一平移二转动并联稳定平台拓扑结构设计

基于方位特征集理论和单开链单元,研究了少自由度并联稳定平台拓扑结构设计方法。并以运动输出为一平移二转动并联稳定平台为例,阐述了少自由度并联稳定平台拓扑结构综合的详细步骤,对包含有一平移二转动输出的单开链支路进行了分析与研究,并选出符合条件的单开链进行排列组合,得到了多种符合条件的拓扑结构类型。设计人员可根据此方法得到支路结构和拓扑参数特征选择最优机型。     

三平移并联机构拓扑设计与运动学分析

基于子运动链生成子工作空间和基于叠加原理的并联机构拓扑设计方法,设计一种具有符号位置正解且运动解耦的纯三平移并联机构,并对该机构进行拓扑分析;运用基于拓扑特征的机构位置分析方法求解该机构位置正逆解并进行验算;基于SKC单元的奇异分析方法对该并联机构的奇异位形进行分析,并求解该并联机构规则无奇异的长方体工作空间。研究结果为一类具有规则工作空间并联机构的设计提供了理论基础。     

2RRUR—2RSS并联机构结构特性与运动学分析

基于方位特征集设计理论和方法,设计了一种全由转动副组成的、动平台能实现空间三平移一转动的无过约束并联机器人机构,对其进行了拓扑结构特性分析;导出了机构位置逆解方程和雅可比矩阵,通过算例和Pro/E的仿真结果,验证了模型的正确性;并进一步对该并联机构作业空间的几何性质、转动灵活性及奇异轨迹进行了分析。分析表明,该机构具有几何形状规则的作业空间及较好的运动灵活性,但在工作空间内具有发生位形奇异的可能,因此,在运动过程中应当避开特殊运动位置以避免奇异位形的发生。     

末端铰接三平动并联机构设计与性能优化

针对高性能3D打印需求,提出了一种结构简洁且高效的三平动(3T)并联机器人。首先,为得到期望的自由度构型,提出一种拓扑演化设计方法,即将一种三平一转自由度(3T1R)并联机构作为初始构型,根据螺旋理论解析该机构自由度及其性质,在此基础上,将动平台向其中心无限缩聚至一点,并使3条支链的末端连杆铰接于该点,进而对机构的末端铰接杆进行再设计,最终演化得到一种仅存在转动副且末端含铰接结构的三平动并联机构。其次,根据输入关节与末端铰接点之间的关系,采用几何投影法和闭环矢量法构建该并联机构的运动学方程,推导其位置正/逆解,并进一步得到速度雅可比矩阵,进而建立速度和加速度映射模型。随后,利用分层切片的搜索算法,预估机器人工作空间,并分析其奇异性。为综合评估机器人性能,对机构灵巧度、速度、承载力及刚度性能指标进行分析,进而提出一种多目标优化设计模型,并据此开展尺度综合,获得最优尺度参数。最后,借助多体动力学软件进行轨迹跟踪仿真校验。研究结果表明,该并联机器人结构简洁紧凑,性能优良,为其后续实体样机制造及实际应用奠定了理论基础。     

具有多模式球面4R机构结构参数研究

基于代数几何理论,结合双变量代数方程可因式分解的判定条件,对球面4R机构运动学方程进行研究,提出一种确定具有多模式球面4R机构结构参数的分析方法.可得5类具有约束奇异位形的球面4R机构,其中多模式球面4R机构可分为4类:具有定轴线和变轴线2种转动运动模式,具有2种变轴线转动运动模式,具有1种变轴线和2种定轴线3种转动运...     

3T1R并联机构运动学分析与优化设计

提出了一种可实现三维移动和一维转动的四自由度并联机构,它的2条相同支链通过被动转动副连接到动平台上,每条支链有2个相同分支,通过安装在基座上的移动副驱动。首先,阐述4PPa-2PaR并联机构的构型,通过螺旋理论验证机构的运动性质,基于机构自身特点研究机构的运动学特性;其次,利用数值法确定机构的工作空间,分析各设计参数对工作空间的影响,基于解析法研究机构工作空间的形状及满足的几何约束条件;最后,以工作空间占机构自身的比重为目标函数,设置影响工作空间的约束条件(如边界约束、不干涉性约束、避奇异约束和工作空间形状约束),并选择遗传算法对机构的尺寸参数进行优化设计。分析结果表明,优化后工作空间占机构自身的比重增大,工作空间体积也明显增大,优化结果可为后续样机研制提供参考依据。     

非对称三平移并联机构的运动条件设计

在分析三平移并联机构结构组成、运动输出特点的基础上,用螺旋理论的方法研究了并联机构实现三平移的必要和充分条件,根据实现三平移的运动条件及机构支路的结构特点,设计了一种新型非对称的三平移并联机构。该机构具有良好的运动解耦性、易控制、加工简单等特点,该研究亦为三平移并联机构的分析与综合打下了基础。     

对称三自由度并联机器人拓扑结构型综合与分类

以单开链支路为单元,揭示了对称少自由度并联机器人组成的规律,提出了输出运动为3自由度并联机器人的型综合方法.型综合共得到5种对称的三维平移3自由度的并联机器人和6种对称的三维转动3自由度的并联机器人.     

6-CPS正交并联机器入位置正解分析

根据并联机器人机构结构综合理论,提出了一种6-DOF 6-CPS正交并联机器人机构,并对位置正解进行分析.以机构6条驱动腿的长度为约束条件,建立约束方程,得到了求位置正解的非线性方程组.应用产生或强化混沌系统的反馈混沌化方法--Chen-Lai算法,对离散时间系统施加反馈控制,可得到预期Lyapunov指数和良好遍历性的混沌系统.应用基于反馈混沌化的Newton迭代算法(CBNIA)求解6-CPS正交并联机器人机构正位置分析中的非线性方程组.数值验证表明,CBNIA能够快速求出全部位置正解,且正反解结果十分吻合.     

六自由度模块化机器人手臂奇异构型分析

对六自由度模块化机器人手臂工作空间内的奇异构型进行了分析。首先搭建模块化机器人手臂系统,并采用DH法对其进行结构建模,得到正运动学方程;其次,结合机器人手臂的正运动学方程,采用基于机器人连杆速度的方法构造其雅可比矩阵,再基于雅可比矩阵求解机械臂出现奇异状态的所有构型情况,得到所有奇异点并分别给出相应的手臂构型;最后,基于可操作度灵活性指标和最小奇异值灵活性指标应用Robotics工具箱对机械臂的奇异情况进行仿真分析,并考察机械臂处于奇异位型时末端参考点的可操作度椭球情况。仿真结果表明该机械臂共有3种奇异情况,验证了上述机械臂奇异位型分析的正确性,为后续模块化机械臂的轨迹规划研究和奇异点规避研究奠定了基础。     

6-CPS正交并联机器人位置正解分

根据并联机器人机构结构综合理论,提出了一种6-DOF 6-CPS正交并联机器人机构,并对位置正解进行分析。以机构6条驱动腿的长度为约束条件,建立约束方程,得到了求位置正解的非线性方程组。应用产生或强化混沌系统的反馈混沌化方法——Chen-Lai算法,对离散时间系统施加反馈控制,可得到预期Lyapunov指数和良好遍历性的混沌系统。应用基于反馈混沌化的Newton迭代算法(CBNIA)求解6-CPS正交并联机器人机构正位置分析中的非线性方程组。数值验证表明,CBNIA能够快速求出全部位置正解,且正反解结果十分吻合。     

3T1R并联机构结构设计与位置分析

基于方位特征集理论(POC),设计并研究了一种三平移一转动(3T1R)并联机构。首先,应用方位特征集方法,综合了一批满足功能要求的并联机构;然后,综合考虑实际应用要求,从中优选出一种具有开发潜力的并联机构,分析结果表明:该机构具有全对称性、可折叠性及承载能力强、工作空间大等特点;最后结合实例给出了优选机构的位置正、逆解方程及其求解算法,结果表明:其位置逆解方程可解析求解,且最多存在16组解;而正解方程不能解析求解,且最多存在8组解。     

对称结构Stewart机构位置正解的改进粒子群算法

根据杆长约束条件,建立了求6-DOF对称结构Stewart并联机器人机构位置正解的无约束优化模型.针对标准粒子群算法容易陷入局部极值、进化后期收敛速度慢等缺点,提出了一种基于差异度评价指标的改进粒子群算法--自适应变异粒子群算法.为克服随机算法不易求出并联机构全部位置正解的缺点,采用分层搜索自适应变异粒子群算法求并联机构位置正解中的优化问题.数值实例表明,对于对称结构Stewart并联机器人机构位置正解问题,改进粒子群算法能求出全部装配构型,且收敛速度较快、精度较高.