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。     

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。     

基于拓扑降耦的3T1R并联机构设计与运动学特性分析

根据基于方位特征方程（POC）的并联机构拓扑结构设计理论及方法,设计了一种低耦合度三平移一转动（3T1R）并联机构,对该机构进行了拓扑结构分析,包括方位特征、自由度及耦合度计算,该机构具有部分运动解耦性。但耦合度k=1只能求得位置正解的数值解,不利于后续的尺度优化、误差分析及动力学分析,为此对其进行拓扑降耦优化设计,即在基本功能（DOF、POC）以及部分运动解耦性不变的情况下,使其耦合度k=0并具有符号式位置正解。运用基于拓扑特征的运动学建模原理求解该优化机构的符号式位置正解,基于导出的雅可比矩阵进一步分析了机构发生奇异的条件,分别基于位置逆解和位置正解求解机构的工作空间,研究表明,基于位置正解的机构工作空间分析具有计算过程简单、计算精确、计算量少等优点。本研究为该机构后续的尺度优化、误差分析及动力学分析奠定了基础。     

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。     

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。     

零耦合度空间2T1R并联机构运动学与刚度建模分析

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，提出一种零耦合度、含1条冗余支链的三自由度两平移一转动(2T1R)并联机构，并对该机构进行拓扑分析。结果表明：该机构具有符号式位置正解和部分运动解耦特性，其被动冗余支链能避免奇异位置，改善刚度；因机构耦合度为零，易求解出其符号式位置正解，并分析了机构可能产生的3种奇异位置；运用虚拟弹簧法建立了每条支链的刚度模型并进行求解，给出并分析了机构笛卡尔刚度矩阵中扭转刚度和线性刚度的变化趋势，讨论了冗余支链对整体刚度性能的影响，验证了冗余支链可使机构整体刚度性能提升约22%。     

无寄生运动非对称空间2T1R并联机构设计与运动学分析

根据基于方位特征方程的并联机构设计理论与方法,设计了一种能实现空间两平移一转动(2T1R)且无寄生运动的非对称并联机构(RPa‖3R)-R+RSS。对该机构进行了动平台方位特征(POC)、自由度(DOF)以及耦合度κ计算的拓扑特性分析,表明机构为零耦合度且具有部分运动解耦性;运用序单开链法的运动学原理,推导了求解机构位置正反解的解析式;基于位置反解,分析了机构的位置工作空间形状与大小及其转动能力;探讨了机构发生奇异位形的条件;对机构的速度和加速度进行了计算及仿真分析。结果表明:该机构运动学分析简单,转动能力强,动力学性能较好。     

零耦合度部分运动解耦2T1R并联机构拓扑与性能研究

根据基于方位特征方程的并联机构拓扑设计理论和方法,设计、分析了一种零耦合度且部分运动解耦的三自由度非对称两平移一转动（2T1R）并联机构,包括：给出机构的拓扑设计过程,计算其自由度、耦合度κ等主要拓扑特性;其次,基于拓扑特征运动学建模方法,求出其符号式位置正反解,并通过正解进行工作空间计算;同时导出位置逆解方程,得到动平台雅可比矩阵,由此导出机构内各构件的速度、加速度以及奇异性;又运用基于虚功原理的序单开链法进行逆向动力学建模,得到该机构主动副的驱动力变化曲线,同时以子运动链（SKC）为单元,求解SKC连接处运动副的支反力,并通过ADAMS予以动力学仿真验证。最后,分析了该机构可用作不同高度输送带之间物料自动转运、卸料装置的潜在应用场景,并给出了其概念设计。本文为两支链大转角并联机构的高效运动学、动力学建模与分析,以及机构性能优化与样机研发提供了理论依据。     

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。     

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。     

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。     

轮-腿复合移动机器人RUPU-RUPR球面并联腿机构动力学研究

提出了一种二自由度球面并联腿机构,并以该机构为基础,设计了一种结构简单且越障性能良好的轮-腿复合移动机器人。阐述了该机构的组成,采用解析几何法和闭环约束方程构建了RUPU-RUPR球面并联腿机构的位置逆解、工作空间、速度和加速度模型,并验证了其准确性。运用牛顿-欧拉法建立了RUPU-RUPR球面并联腿机构的动力学模型。在给定动平台的运动规律和外力后,通过动力学方程求解出RUPR驱动支链驱动力,RUPU驱动支链驱动力矩以及RUPR驱动支链约束力矩,并给出动力学模型仿真解。结果表明该机构具有良好的工作性能。     

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。     

基于方位特征方程的2T2R并联机构拓扑综合与分类

基于方位特征(POC)集方程的并联机构型综合方法,给出了可实现两平移两转动(2T2R)并联机构(parallel mechanism,PM)的型综合过程和方法,包括基于拓扑等效替代的复杂支路综合方法、支路几何装配条件的判定方法及驱动副的判定方法等,得到了15种2T2R构型,其中10种为新构型;并且,对这些构型按支路结构和动平台数目进行分类,对它们进行拓扑特征分析,得到其所包含的AKC(Assure运动链)(包括独立回路数、耦合度数)、自由度类型和运动解耦性。本文综合出的构型结构较为简单,易于装配,具有一定的实用价值。     

五自由度混联机构圆弧插补算法研究

提出了一种由两自由度并联机构和三自由度串联机构构成的五自由度混联机构-2SPU+U+RRR。建立了该混联机构的三维模型并搭建了试验样机,通过分析将其等效为U+RRR串联机构。对等效后的U+RRR串联机构进行运动学正反解分析,并验证了正反解求解的正确性,同时对两自由度并联机构进行了运动学反解计算,为机构控制奠定了理论基础。针对传统空间圆弧插补算法计算的复杂性,提出了一种基于等弧度数据采样的新型空间圆弧插补算法,简化了插补算法的计算量。通过Matlab仿真和样机实验,验证了上述插补算法的正确性。     

12-6台体型Stewart冗余并联机构正向运动学研究

针对六自由度并联机构的正向运动学无全解析解或全解析解推导困难、不便于程式化、存在多解选择的现状,提出一种含混合单开链支路的12-6台体型Stewart冗余并联机构,推导了适用于实时反馈控制的正向运动学全解析算法。通过单开链的方位特征集运算及路线分解,对机构的拓扑构型进行了剖析,并解算了耦合度,为运动学方程的构造及同构处理指明了方向。基于动平台上4个共面特征点的拓扑关系,对15个二次相容方程进行同构运算,推导了12个一次多项式,得到正向位姿方程的全解析解,具有形式简洁、对称,且根能够唯一确定的特点。根据速度基点法,建立特征点速度之间的矢量关系,解决了机构的速度正解问题。结合杆长协调方程及速度映射方程,并运用Jacobian代数法解析出机构的3组奇异曲面方程。实验结果表明,位姿正解的计算值与测量值完全一致,速度正解的最大相对误差为0.08%,它们的效率指标值分别为0.21和0.32,均满足实时性要求。     

并联机构运动解耦设计方法与应用研究

根据基于方位特征集(POC)的并联机构拓扑结构设计理论,对国内外已有的2~6自由度运动解耦并联机构,进行拓扑结构及其运动解耦性分析,发现机构运动解耦不仅与拓扑结构有关,而且还与运动参数有关;接着从这2个层面提出了并联机构运动解耦的4个规律,以及相应的基于基本运动链(BKC)合成与分解、基于子并联机构等效支链、基于合理选取基点,以及基于移动副平行、垂直配置等4个运动解耦设计原理及其方法,其中,提出了将并联机构的运动解耦分为位-姿分离解耦、位-姿内部解耦的思路,可作为运动解耦的方向和顺序;进一步,设计了15个运动解耦并联机构。