两支链三平移并联机构动力学分析与性能优化

对前期提出的三平移并联机构2P4R(Pa)-PR(Pa)R进行了动力学分析及其性能优化。首先，基于该机构的符号式位置正解，直接求得其各杆件（角）速度和（角）加速度；然后，采用基于虚功原理的序单开链法，对该机构进行动力学建模，并通过比较3个驱动力的理论计算值与仿真结果，验证了动力学建模的正确性；进一步，以杆件长度和质量参数作为设计变量，以可达工作空间和能量传递效率两种性能指标为目标函数，对该机构进行运动学和动力学性能的二级递进优化，得到机构在上述两种性能指标下的最优解，使机构可达工作空间性能指标提高56.2%，全局能量传通效率性能指标提高63.6%，为机构设计与样机研制奠定了基础。     

2RPU+2UPR+RPR多冗余驱动并联机构运动学分析与优化

提出一种RPR型多冗余驱动两转一移并联机构2RPU+2UPR+RPR。基于螺旋理论建立机构运动螺旋系与约束螺旋系,分析机构自由度性质;建立机构运动学模型,基于软件仿真结果验证理论模型正确性;推导机构传递螺旋系,建立机构局部性能指标与全域性能指标;基于优质工作空间和优质传递性能分布对机构进行尺度优化,获得机构优化尺度与传递性能图谱,分析关键尺度参数对机构传递性能的影响;基于雅可比矩阵和传递性能分布分析优化尺度下机构奇异特性,机构在优化空间内无奇异位形。     

3-P(4S)并联机构分析与多目标性能优化

针对3-P(4S)并联平台,首先对其进行了位置反解,提出了由BP神经网络和拟Newton法相结合的混合数值法,并以此对机构进行了位置正解,求解精度可达到10-8数量级,求解时间在20 ms内。然后通过对位置解求导可得到机构动平台和分支杆件的速度和加速度。根据运动学分析的结果,应用牛顿欧拉方法构建该机构的动力学模型,并对机构的数值算例进行了动力学仿真验证。最后综合考虑机构的动力学性能、刚度性能和速度性能,分别推导了其评价指标,并应用改进的加权求和法对该机构进行多目标的尺寸优化。通过多目标的尺寸优化,该机构的动力学性能和速度性能提升了2倍,刚度性能提升了3倍。     

3T1R解耦并联机构动力学与惯量耦合特性分析

对一种3T1R解耦并联机构的动力学性能及其惯量耦合强度进行了分析。对机构进行运动学分析，给出了机构的位置正反解方程，得到动平台的雅可比矩阵，推导了机构各构件的速度、加速度；基于牛顿-欧拉法，考虑构件重力以及外负载，建立了机构逆向动力学模型，并用ADAMS软件进行了仿真验证；基于所建的逆向动力学模型，分析了加速度和动平台姿态角对支链驱动力的影响；基于关节空间的惯量矩阵，建立了惯量耦合强度评价指标，分析了其在工作空间内的分布规律，并与降耦前Quadrupteron机构的惯量耦合强度进行了对比分析。结果表明，结构降耦不仅降低了支链间的耦合强度，而且整个工作空间内惯量耦合强度的分布更为一致，提升了机构动态性能的各向同性。     

基于牛顿欧拉法的2UPS-2RPS并联机构逆动力学分析

2UPS-2RPS为具有两种不同支链结构的4自由度并联机构,具有结构简单,制造成本低,控制容易等优点.由于自由度数目少于6,机构的支链不仅传递驱动力,同时还向末端提供约束力,因此在对机构动力学控制及尺度和截面参数动力学优化时,驱动力和约束力分析都是必要的.本文运用牛顿欧拉法建立了该机构的逆动力学方程.在给定动平台的运动规律和外力后,通过动力学方程求解得出所需驱动力和约束力矩,并给出仿真实例.     

基于牛顿欧拉法的2UPS-2RPS并联机构逆动力学分

2UPS-2RPS为具有两种不同支链结构的4自由度并联机构，具有结构简单，制造成本低，控制容易等优点。由于自由度数目少于6，机构的支链不仅传递驱动力，同时还向末端提供约束力，因此在对机构动力学控制及尺度和截面参数动力学优化时，驱动力和约束力分析都是必要的。本文运用牛顿欧拉法建立了该机构的逆动力学方程。在给定动平台的运动规律和外力后，通过动力学方程求解得出所需驱动力和约束力矩，并给出仿真实例。     

高速6—PSS并联机器人参数优化设计

针对高速6-PSS并联机器人尺寸参数多、动态性能复杂等特点,提出一种以工作空间为基础、动力学特性为优化目标的多目标优化方法。首先构建机构运动学方程,并利用拉格朗日法构建动力学模型,对机构的约束条件及工作空间进行分析,确定尺寸参数的搜索范围。然后,分析各个尺寸参数对关键动态性能的影响趋势,综合分析计算结果并提出优化目标函数。最后,通过优化数学模型计算,得到并联机器人尺寸参数最优解。通过仿真验证,对比优化前后驱动力、速度、功率等动态性能参数值,结果表明了优化算法的有效性和正确性,可为高速并联机构的参数设计提供一种有效的优化方法。     

4-RRR冗余并联机器人驱动力优化

为了在机构中实施内力控制,提出了一种基于功率优化的驱动力分配策略。首先,提出一种冗余平面并联机器人运动学和动力学分析的方法。用螺旋理论推导了机构雅可比矩阵,基于牛顿-欧拉公式计算主元点的惯性力螺旋,用虚功原理构建动力学公式。然后,基于力优化,分别分析了4-RRR机构和3-RRR机构的驱动力,比较结果表明4-RRR的驱动力峰值有所下降。最后,基于功率优化,对4-RRR的内力和驱动力进行优化,得到了机构内力和驱动力的变化规律。     

具有耦合分支的两转动两移动并联机构分析与优化

提出了具有耦合分支的两转动两移动并联机构。基于李群理论分析了机构自由度,该机构动平台能输出两个转动运动和两个移动运动;采用闭环矢量法对机构进行了位置分析,求得位置反解;通过速度分析得到机构的雅可比矩阵,在雅可比矩阵基础上对机构的奇异位形进行了分析;采用虚功原理建立了机构的刚度模型,并进行了刚度性能分析;为消除内部奇异产生的刚度退化,在机构上增加了冗余驱动分支,并对添加冗余驱动分支前后机构的刚度、工作空间等性能进行了对比分析。以工作空间内刚度平均值为目标对冗余驱动机构进行了尺度优化设计,结果表明,优化后的冗余驱动机构的刚度性能得到明显提升。     

冗余并联机构运动学性能分析与优化

研究了一种4自由度—虎克铰—移动副—球铰/转动副—移动副—虎克铰冗余并联机构的运动学性能评价指标和优化设计,建立了该并联机构的雅可比矩阵,得到了该机构的3个不同的运动学性能评价指标,即条件数、最小奇异值和可操作性,在此基础上,定义了评价不同位形下运动学综合性能的全局灵巧度系数指标,并分别研究了不同性能评价指标在并联机构工作空间内的分布规律。最后,基于全局灵巧度指标,利用遗传算法对冗余驱动并联机构的结构参数进行了优化设计。为该冗余并联机构的结构设计奠定了理论基础。     

3—CRPa移动并联机构运动学分析与仿真

提出一种新型3自由度纯移动并联机构,该机构由动平台、静平台以及联接两平台的3条相同的分支运动链组成。基于单开链单元理论分析,计算出机构的自由度,分别讨论了以角位移和线性位移为主动输入形式的机构运动学问题,推导出位置、速度、加速度的解析解。利用Matlab和Pro/E软件分别绘制出机构的位移、速度、加速度理论曲线和虚拟样机仿真曲线,仿真结果证明了理论分析的正确性。尤其是当以线性输入为主动输入时,机构的运动雅可比矩阵为单位阵且条件数恒等于1,所以此时机构在整个工作空间内表现为完全各向同性。     

含约束支链的冗余驱动并联机构动力学性能优化

全驱动并联机构可以通过增加约束支链或关节实现机构驱动冗余。为了研究约束支链与关节对冗余驱动并联机构动力学性能的优化问题，分析对比了冗余驱动并联机构6P-US+UPU与非冗余驱动并联机构6P-US机构的动力学特性，研究了约束支链对冗余驱动并联机构动力学性能的优化机理。基于虚功原理建立了6P-US机构和6P-US+UPU机构的动力学模型，提出具有明确物理意义的冗余驱动并联机构动力学性能指标，分析了约束分支对机构动力学性能的影响，并结合数值算例对两种机构动力学性能进行了对比分析。结果显示，支链约束提高了机构动力学性能，而支链质量会降低机构动力学性能。     

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.     

具有解析式位置正解的2T1R并联机构运动性能分析

求解具有解析式位置正解且部分运动解耦的并联机构,有利于后续的误差分析、动力学分析、运动轨迹规划与控制等。基于方位特征方程(POC)的并联机构设计理论与方法,设计了两种具有解析式位置正解且部分运动解耦的2T1R并联机构,并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性能分析;提出基于拓扑特征的运动学建模与求解方法,并据此求解了两种机构的解析式位置正解;基于导出的位置反解,分析了两种机构工作空间、奇异位形、动平台的速度与加速度变化规律。最后比较了两种机构的运动性能,选择了优选机型。为优选机型的动力学分析与样机研制提供了理论基础。     

三自由度并联机构位置和运动分析及仿真

分析了一种两平移一转动三自由度并联机构，得到该机构位置正反解析解，采用求导法得到其一阶和二阶运动影响系数。利用运动影响系数对该机构进行了速度和加速度分析，并在ADAMS软件上进行仿真，验证了该理论分析的正确性。同时，提供了该机构在中医推拿方面的具体应用实例。     

Tripod并联机器人运动学分析与样机实验

对Tripod并联机器人进行了运动学分析,计算了机构自由度,采用矢量代数法和数值法求出了运动学位置逆解和位置正解。利用Jacobian矩阵的条件数对其进行了运动性能评价,分析了其可达工作空间。计算结果表明该机构具有优越的各向同性性能和广阔的可达工作空间。通过ADAMS和Matlab运动学仿真软件对正解和逆解分别进行了验证。仿真实验结果证明了所建模型的正确性。并对Tripod并联机器人样机进行了精确定位实验、直线插补实验和圆弧插补实验,实验证明机构所建数学模型的正确性。     

考虑关节摩擦的3-PRS并联机构动力学建模研究

为了研究摩擦力对并联机构运动过程的影响,对3-PRS并联机构进行了基于关节摩擦力的动力学分析。对3-PRS并联机构进行末端理论运动轨迹规划,采用矢量法对机构进行了运动学分析。提出3种不同的关节摩擦模型,包括库伦摩擦模型、库伦-粘性摩擦模型以及库伦-粘性-静摩擦模型,在考虑关节间摩擦的情况下,基于牛顿-欧拉法建立了3-PRS并联机构的动力学分析模型。逆动力学实例分析表明,负载越大,摩擦力越大,在有无摩擦力的情况下,3个移动副驱动力的最大误差分别为1.40%、1.51%、1.49%。通过正动力学实例分析了不同情况下关节间摩擦模型对末端运动轨迹的影响,结果表明,不同关节摩擦模型对3-PRS并联机构末端的运动轨迹有较大的影响。     

三构态驱动变胞并联球铰设计与分析

不同于现有利用约束奇异和支链奇异实现的变胞并联机构,本文通过开启与锁死驱动副的方式,利用有限旋量法提出了一种可以实现一维转动、二维转动和三维转动的三构态驱动变胞并联球铰。根据螺旋理论分析机构各构态的自由度,利用机构的结构特征和几何约束关系分析其运动学。基于驱动变胞并联球铰(Sm),通过串联P副和U副,形成SmPU变胞支链,提出一种八模式3-SPS/SmPU驱动变胞并联机构。此种通过开启与锁死驱动实现驱动变胞球铰的方法也适用于其他变胞运动副的综合,变胞方式简便易行,且该类变胞运动副可有效避免变胞过程中的约束奇异以及支链奇异。     

3T1R并联机构结构降耦设计与运动学分析

根据基于方位特征(POC)的并联机构设计理论与方法,提出了一种结构简单、能实现三平移一转动的并联机构,拓扑结构分析后发现其耦合度k较大(k=2),其位置正解及动力学计算较复杂;为此,设计了结构降耦后的新机型,证明其耦合度k=1,其位置正解易用一维搜索法求出,并给出了基于序单开链法的该机构位置正解求解的一维搜索法及其数值解;同时,基于导出的机构位置反解公式,分析了动平台的工作空间及其转动能力,探讨了该机构发生3种奇异位形的条件。