采摘机器人承载平台构型设计与工作空间分析

通过构型演变,设计一种五自由度采摘机器人承载平台机构,去掉Stewart六自由度并联机构的一条驱动支链,得到五驱动支链并联机构。机构采用SPS支链为驱动支链,驱动支链对运动平台无约束。由于仅有5条驱动支链,需增加1条约束从动支链限制运动平台1个空间自由度。为此,采用螺旋理论分析约束从动支链,得到满足不同自由度的从动支链约束螺旋和对应结构,综合出具有不同运动特征的五自由度并联机构。针对此类五自由度并联机构构型,提出了机构构型的符号表示方法,建立了机构的输入与输出关系方程,利用速度Jacobian矩阵研究机构的奇异性,选取无奇异的机构构型为承载平台,并计算了承载平台的工作空间。     

以基本运动链为单元的并联机构拓扑结构设计

研究了以基本运动链(BKC)为单元的并联机构组成原理及其拓扑结构设计方法。首先,提出基于BKC的并联机构组成原理表达式;其次,基于BKC的组成原理及其耦合度k的计算公式,设计给出理论上满足k=0~3且基本回路v=1~5的53种BKC基本类型及其解析表达式;其中,最常用的6种BKC基本类型能解析表示出40种BKC拓扑结构,而这些BKC拓扑结构成为常用并联机构的基本组成单元;最后,提出一种直接以BKC为设计单元,同时满足方位特征集(POC)设计目标的并联机构拓扑结构设计的一般性实用方法,并以实例说明。该方法无需综合支链及其在动、静平台之间的拓扑布置,仅含3个步骤,操作简单,具有很好的实用性;与已有的主要型综合理论方法相比,操作简单、方便,具有很好的实用性和普适性。     

并联机构方位特征集的符号推导方法

并联机构的方位特征集与其拓扑结构特征存在密切联系,方位特征集的程序化推导方法对于机构拓扑结构分析与设计具有重要意义。系统论述了拓扑结构多项式、方位关系组及方位特征集等基本概念,采用拓扑结构多项式表达并联机构的支路及运动副排列结构,通过方位关系组描述运动副轴线之间的方位关系。基于并联机构动平台的运动输出特性,提出了运动特征空间的概念,根据运动特征空间的相关性建立了2种消元规则,即串联消元规则和并联消元规则。这两种消元规则在拓扑结构多项式与方位关系组之间建立了一种"商"运算关系,并可进行迭代消元,其运算结果即为方位特征集。利用并联机构的字符串描述形式,对部分并联机构的方位特征集进行了基于符号的推导分析,其结果验证了所提出消元规则的有效性。研究成果为面向计算机辅助的并联机构拓扑结构特征分析及类型综合提供了必要的理论与方法基础。     

基于逆雅可比矩阵的三转动弱耦合并联机构构型综合

为获得承载能力大且容易控制的三转动并联机构，本文以逆雅可比矩阵中奇异向量的含义为切入点，将机构的运动耦合性与驱动力螺旋之间的空间几何关系建立联系，进而提出一种三转动弱耦合并联机构构型综合方法。首先，根据机构不同方向运动耦合性需求，构造逆雅可比矩阵，并以此推导各支链中驱动力螺旋需满足的空间几何条件；其次，根据驱动力螺旋与被动副运动螺旋之间的关系及约束螺旋与所有运动副运动螺旋之间的关系，得到支链中运动副的类型和布置条件，并对驱动副为机架副的支链进行了综合；进一步，制定了支链的选取和组合原则，基于上述原则，完成了三转动弱耦合并联机构构型综合；最后，通过对3个实例进行运动耦合性分析，验证了所提方法的正确性。     

含双驱动五杆回路的弱耦合并联机构型综合

根据基于方位特征方程的并联机构拓扑结构设计方法,对含双驱动五杆回路的并联机构进行了型综合。提出并分析了7种耦合度为0的双驱动五杆回路拓扑组成及拓扑特征;设计了含双驱动五杆回路的3T1R、3T2R、3T3R复杂支链;基于综合的复杂支链,构造了3种3支链和2种2支链的3T1R并联机构、2种4支链和4种3支链的3T2R并联机构,以及2种4支链和2种3支链的3T3R并联机构;对这15种新构型进行了拓扑结构特征分析,得到其所包含的独立回路数、过约束数、耦合度等。结果表明,综合的机构大多结构简单、紧凑,且耦合度低,有利于后续的运动学、动力学建模与分析,具有较好的应用前景。     

基于螺旋理论对水稻插秧机2UPR/SPS并联机构的自由度分析

【目的】针对水稻插秧机的作业效率,课题组提出一种并联机构来提高水稻插秧机的作业稳定性和可重复性。【方法】建立2UPR/SPS并联机构,通过螺旋理论对该机构的每条支链的自由度类型进行了分析,由于动平台两个R副和一个S副的布置,对每条支链建立了坐标系,建立了每个支链的运动螺旋系,根据互易原理,分析了每个支链的约束螺旋系。根据每条支链的约束螺旋系,列出并联机构的约束螺旋系,再进行互易,最终得到动平台的运动螺旋系。【结果】该并联机构具有两个自由度,可实现动平台在z轴方向的移动,在移动的过程中可实现绕着z轴旋转,符合水稻插秧的动作要求。【结论】由于该并联机构具有良好的稳定性和可重复性,将其应用于水稻插秧机,将有利于提高水稻插秧机的作业效率和稳定性,而且对此并联机构的分析为今后水稻插秧机结构的研究奠定了一定的基础。     

含方位特征支链并联机构构型综合与结构优化

含方位特征支链的并联机构是一类特殊结构的刚度好、承载大的少自由度并联机构。首先,提出了含方位特征支链并联机构的构型组成原理,简化了该类机构的方位特征方程、自由度、耦合度等拓扑特征的计算公式,以及拓扑结构综合步骤;其次,根据方位特征方程,综合了2~5自由度方位特征支链以及无约束主动支链的拓扑结构型式,以4自由度并联机构为例,给出了该类机构结构综合的原则和方法。再次,根据方位特征支链中的驱动副数目(0、1、2)对机构进行分类,并给出具体结构设计案例。最后,针对部分机构存在的力学性能不好的问题,提出了支链结构优化和对称性结构优化2种拓扑结构优化方法及其相应案例。本文工作为含方位特征支链并联机构的拓扑结构综合提供了较系统的理论基础和设计方法。     

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。     

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。     

含恰约束支链的驱动变胞机构构型综合与分析

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,通过开启与锁死驱动副的方式,基于3-RRR球面机构(Sm),利用螺旋理论提出了一类含主动混联恰约束支链的多模式驱动变胞并联机构。针对所综合的3-SPS/SmPU驱动变胞并联机构,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建立其运动学模型。此种通过开启与锁死驱动副实现并联机构变胞的方法也适用于其他变胞并联机构的构型综合,其变胞方式简便易行,全构态逆运动学求解简单,且该类变胞并联机构可有效避免变胞过程中的约束奇异和支链奇异。     

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。     

完全解耦二移动二转动并联机构结构综合

基于混联机构概念和互易螺旋理论提出了完全解耦二维移动二维转动（2T2R）并联机构结构综合的方法,得到106种机构。综合出的机构有两条分支运动链直接与动平台和静平台相连,其中一条为单开链,另一条为混合链。所有机构速度雅可比矩阵均为对角阵,即动平台的输出速度与4个主动副的输入速度之间存在一一对应的映射关系,故此类机构运动学解完全解耦,克服了一般并联机构耦合性强、控制复杂的弱点。     

完全各向同性2T1R空间并联机器人机构型综合

提出了完全各向同性二移动一转动(2T1R)空间并联机器人机构型综合的系统方法.首先根据机构各分支预期功能的要求,基于互易螺旋理论确定出各分支的驱动螺旋、主动螺旋和可动非主动螺旋;再按照分支连接度的不同列举出机构的各分支运动链;最后根据机构各分支装配要求将动平台和静平台连接起来即可得到预期的机构,并得到大量新型机构.实例分析验证了型综合方法的正确性.由于所综合出的并联机器人机构的运动雅可比矩阵均为单位阵,因此这类机构具有良好的运动学和力传递性能.     

面向计算机辅助分析的并联机构符号描述方法

并联机构拓扑信息的符号描述方法对于计算机辅助机构拓扑结构分析和机构型综合等研究具有重要意义。基于并联机构的SOC组成原理,遵循机构学领域符号表达习惯,提出了具有代数运算功能的并联机构符号描述系统,将并联机构拓扑结构表示为一种符号多项式,其中每一项代表一条支路;分析了运动副方位关系的传递性,提出了方位关系组的概念,给出了运动副方位关系的符号描述方法。在此基础上给出了POC集的符号推导方法,将支路的POC集表示为所含运动副POC集的加法运算,将整个并联机构的POC集表示为各支路POC集的乘法运算。该符号描述系统在一定程度上具有符号语言的代数特征,便于进行并联机构拓扑不变量的自动分析,为计算机辅助并联机构型综合提供了理论基础和有效工具。     

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。