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。     

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。     

低耦合度3T1R并联操作手设计与运动学分析

基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑结构设计理论和机构结构降耦原理,设计了一种低耦合度能实现三平移一转动(3T1R)的SCRAR并联操作手机构。首先,阐述了该机构的组成,计算了该机构的耦合度k=1;然后,根据该机构的几何特点和运动约束,通过建立输入参数与动平台输出位姿参数间的约束方程,运用运动学序单开链法原理求解了位置正解的数值解,导出了其位置反解的解析解,用实例验证了位置正、反解的准确性;最后,基于位置反解得到了机构位置工作空间的形状与大小及Z向各截面形状,并基于Jacobian矩阵对机构奇异位形进行了分析。结果表明:该机构比H_4、I4结构简单,在一组相同等效尺寸参数下其工作空间大、转动能力强。     

具有解析式位置正解的三平移并联机构设计与分析

具有解析式位置正解且部分运动解耦的并联机构,对后续的误差分析、运动轨迹规划与控制、动力学分析等十分有利。根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论和方法,设计一种仅由移动副和转动副组成的三平移(3T)并联机构,它具有解析式位置正解、部分运动解耦性、大的操作工作空间等优点。首先,分析计算了该机构的方位特征集、自由度、耦合度3个主要拓扑特性;由于三平移的特殊方位特征约束,尽管耦合度为1,仍可直接求得机构的解析式位置正解,而不必用一维搜索法求数值解;根据导出的位置反解,进一步分析了该机构发生奇异位形的条件、机构位置工作空间及其奇异性特征,并对机构速度和加速度进行了计算及仿真分析。结果表明:仿真曲线变化平稳、连续,具有较好的动态特性。     

3T1R并联机构降耦设计与分析

根据基于方位特征集的并联机构拓扑结构设计理论和机构结构降耦原理,设计了一种低耦合度的3T1R运动解耦并联机构。首先,对一种耦合度κ为2的3T1R并联机构进行了结构降耦设计,得到了耦合度较低(κ1=1,κ2=0),但自由度和末端执行件输出运动类型均保持不变的新机型;又对其进行了运动解耦性分析,表明机构具有部分运动解耦;然后,导出了机构位置正、逆解方程和雅可比矩阵;最后,基于雅可比矩阵分析了机构奇异性,并进一步对该并联机构可达工作空间和转动能力进行了分析,得到了机构无奇异工作空间区域。结果表明,降耦机构具有结构简单、无奇异工作空间形状规则、体积大,且全工作空间所有位置的转动能力一致等特点,克服了一般并联机构耦合性强、控制复杂的弱点,具有较好的工业应用前景。     

运动副分布顺序对并联机构运动学与动力学性能的影响

根据基于方位特征(POC)的并联机构拓扑设计理论，设计了两种零耦合度且部分运动解耦的三自由度两平移一转动(2T1R)并联机构，它们具有相同运动副类型和数目，但在支链中的分布顺序不同；对这两种机构进行了方位特征、自由度及耦合度等主要拓扑特征分析，并给出其拓扑解析式；根据拓扑特征运动学建模原理，求解了这两种机构的符号式位置正反解，分别分析了两种机构的工作空间和机构发生奇异的条件及奇异位形；根据基于虚功原理的序单开链法对两种机构进行逆向动力学建模，分别求得两种机构的驱动力；对比两种机构运动学与动力学性能，并给出优选机型。给出了优选机型用于水果深加工中智能分拣、输送等应用场景的概念设计。     

正解符号化且运动解耦的2T1R并联机构拓扑

基于方位特征（POC）方程的并联机构设计理论与方法,设计了一种全部由低副组成、具有位置正解符号化且部分运动解耦的两平移一转动（2T1R）并联机构,并对机构的主要拓扑特征（POC、自由度、耦合度、运动解耦性）进行分析与计算;基于拓扑特征运动学建模原理,导出机构符号式位置正解和反解;同时,由位置反解分析了机构奇异性,基于符号式位置正解求解了机构工作空间;根据基于虚功原理的序单开链法,对该机构动力学性能进行分析,计算得施加在3个驱动副上的驱动力;最后,对该机构应用于无人机操作及其安全着陆的动作原理进行了概念设计阐述。     

具有整周回转能力的3T1R并联机构运动学分析

设计了一种可实现整周回转运动且便于模块化装配的3T1R并联机构。首先,提出一种仅含转动副的二维移动放缩单元,模块化组合与扩展后,构造得到一种平面二维移动放缩机构,将平面二维移动放缩机构作为支链,设计得到一种新型3T1R并联机构;其次,对该3T1R机构进行拓扑结构分析,在保证机构基本功能(方位特征集和自由度)不变的情况下对其进行降耦设计,得到耦合度为1的机构;最后,基于序单开链法对降耦机构进行位置分析,同时,基于导出的机构位置反解公式,分析机构的工作空间和转动能力,并绘制转动能力图谱,根据转动能力图谱筛选出机构可实现整周回转运动的工作空间范围,为该型机构的设计和实际工程应用提供理论依据。     

低耦合度半对称三平移并联机构拓扑设计与运动学分析

根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论与方法,提出一种三自由度3Pa+2RSS并联机构,并对该机构的方位特征集、自由度、耦合度等主要拓扑特征进行分析计算,证明分析了其耦合度κ=1;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,并应用一维搜索方法求解了该并联机构的位置正解;导出机构位置逆解的公式,并据此分析计算了该机构奇异发生的条件;在自由度、输出和运动学分析不变的前提下,为了增大工作空间,将两条RSS支链替换为RUU支链,分析求解了机构工作空间和工作空间内部的奇异性特征。结果表明:该机构工作空间形状规则,且内部的无奇异工作空间较大。     

运动解耦且大工作空间三平移机构拓扑设计

根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计方法和运动解耦设计原理,提出一个运动解耦性优异的单回路三平移子并联机构;设计一类4个具有正向位置符号化、部分运动解耦性且具有较大工作空间的三平移(3T)并联机构;对这类机构进行拓扑特性分析,得到相同的方位特征集(POC)、自由度(DOF)、耦合度(κ)、运动解耦性等主要拓扑特性;对其中一个机构进行运动学、动力学性能分析。根据基于拓扑特征运动学建模原理,求出其符号化位置正反解,以及速度、加速度曲线;基于推导出的位置逆解公式,分析机构的奇异位形及工作空间;根据基于序单开链的虚功原理,进行其动力学建模与分析,求解出机构的驱动力。     

FS03N通用机器人运动学分析与仿真

以FS03N通用机器人为研究对象,根据FS03N的结构特点,采用D-H法建立了机器人连杆坐标系,列出连杆参数,计算得出了以关节角度为变量的正运动学方程。通过选用z-y-z欧拉角来描述川崎FS03N通用机器人末端的方位。在机器人运动学反解问题上,采用了反变换法来求解。最后,使用SolidWorks软件建立了FS03N的三维实体模型,用motion对其进行仿真,验证位置正反解的正确性。     

冗余度双臂机器人协调避障算法

针对冗余度双臂机器人协调操作的避障规划问题,提出了一种基于自运动特性的避障算法。引入用于描述协调操作任务的绝对位姿变量和相对位姿变量,构造出对应于协调操作任务的雅可比矩阵,在此基础上,得到了用于避障的冗余度双臂机器人运动学逆解,使得冗余度双臂机器人能够同时完成两个机械臂的避障任务和末端的协调操作任务。最后,通过对一个冗余度双臂机器人的仿真试验,对算法的正确性进行了验证。结果表明,机器人与障碍物的最近距离大于0.015 m,并且机器人可以准确地完成末端的协调操作任务,关节运动连续、平稳。     

红枣采收激振器的设计与运动仿真

为了降低人工采收成本,提高红枣的收获效率,促进红枣机械化收获方式及红枣产业的健康发展,设计了一种由3个偏心块为动力源的激振器。该激振器采用液压马达驱动,利用同步带轮驱动偏心块转动产生的离心力力偶做功使激振器的壳体振动。对壳体进行受力分析和运动形式的理论分析,并利用Solid Works软件建立激振器的三维模型,导入ADAMS软件中进行无阻尼仿真分析,通过受力分析和理论分析证明壳体的运动规律符合简谐运动。仿真结果表明:壳体的运动规律与理论分析基本一致,验证了阻尼装置是激振器不可缺少的一部分。本研究可为红枣收获机激振装置的设计提供理论基础和技术支持。     

振动式深松机运动特性分析及试验研究

为了深入研究深松机具作业过程中的牵引阻力、能量消耗及作业性能,首先对影响深松作业的结构参数振动幅值、振动频率、振动角度和机具前进速度逐一进行分析;然后从运动特性入手,分别对3种不同振动角度下的运动轨迹进行了研究。结果表明:振动角等于0时,运动轨迹为一段锁扣波形,总功耗增加,深松效果增加不明显;当振动角大于0时,运动轨迹为一段沿运动方向倾斜的正弦波形,将其分为向前上方切削运动和后撤运动两段,前段功率消耗与非振动深松相当,但后撤阶段功率消耗增大使得降耗效果不明显;当振动角度小于0时,运动轨迹为一段沿运动方向相反倾斜的正弦波,将其分为向前下方切削运动和提升运动两段,同时,在提升阶段运动过程中,深松铲工作于已深松过的土壤中,因而功耗大大减小,可以实现减阻降耗目的。同时,在前进速度为0.2~1.78m/s、振幅为10mm、振动角为10.80~-3 2.40和0~50Hz振动频率条件下,对振动式深松机具进行了单因素土槽试验研究,并分析了各因素与功率损耗之间的关系。     

摆环式松土机构的运动学分析

介绍了小型温室电动爪式松土机的工作部件——摆环机构的构造，工作原理，对其作了运动学分析。并模拟出了其松土爪的运动曲线。     

机器人末端运动特征几何化描述与分析方法

针对现有运动特征信息不完整以及代数分析方法较为抽象的现状,提出了基于高斯几何学的机器人末端运动特征几何化描述与分析方法。首先,基于高斯几何学将直线、曲线、平面以及曲面等均视作可描述末端运动特征的独立空间,进而建立了基于高斯几何学的运动特征描述模型;然后,基于该描述模型制定了末端运动特征的求并和求交运算规则,并提出了机器人末端运动特征的分析方法;最后,结合实例验证了上述几何化描述与分析方法的有效性。     

自卸车F式举升机构的建模与仿真分析

为研究某自卸车油缸浮动连杆组合式（F式）举升机构的运动学特性,优化其液压缸行程、举升角等结构参数.运用SolidWorks软件对该举升机构建模,并用SolidWorks Motion对模型进行运动学仿真.结果表明：F式举升机构举升过程平稳,液压缸行程及举升角均符合设计要求.     

重载并联运动模拟台机构动力特性分析

提出一种适用于重载的6UPS-3UPS/UPU-R并联运动模拟台机构。采用电液混合的驱动方式,该机构具有平衡负载重力的特点。对机构进行了动力学分析,得到了平衡平台对运动平台的作用力和电机扭矩计算表达式。提出了平衡效率指标,并研究了平衡分支相关参数对平衡效率的影响。分析了液压缸对运动平台受力和电动缸驱动力的作用。数值分析表明,平衡液压缸的存在能够有效降低电机扭矩,该并联运动模拟台机构能够以较低的制造成本满足高精度、重载的应用需求。     

面向立柱栽培的移栽机器人设计与协调运动仿真

针对新型螺旋栽培立柱结构进行了配套移栽机器人系统的设计。通过几何与静力学分析,确定了插针式末端执行器的驱动电磁铁选型与机构参数。通过立柱的穴盘苗机器人移栽协调运动仿真,确定了机械手结构参数与系统优化布局,得到了多执行元件协调运动时序关系并建立了移栽协调运动流程。样机试验结果表明,机械手平均水平与竖直定位误差分别为2.24 m和0.63 m,移栽成功率为94.7%。立柱1.2 m高度范围的移栽作业效率为750株/h,末端执行器取苗时间仅为0.2 s,能够满足立柱自动化移栽作业的要求。     

交流电机拖动的运动控制系统

在拖动系统中,交流电机比直流电机应用广泛,这不但是因为交流电源比直流电源变压方便,更是因为交流电机,尤其是三相鼠笼异步电机结构简单、造价低廉且运行可靠.在实际的控制系统中,安装转速测量的装置又给整个系统带来了不便检修和体积增大、可靠性降低的问题.为了解决这些问题,工程技术人员研究出了无速度传感器的感应电机控制系统.不用位置传感器并不是不需要速度信号,而是通过对电机的转速进行观测和估计来代替传感器,从而构成无速度传感器的感应电机向量控制系统.