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。     

一类6自由度Delta型机器人运动学分析

为满足工业机器人多角度操作需求,提出了一类具有3组耦合分支,且对称分布的6自由度Delta型机器人。首先,将每组耦合分支拆分为独立运动单元,并等效为串联运动链,基于旋量理论求出等效后的运动自由度;其次,利用闭环矢量回路法分别计算耦合分支中每条主动链的位置逆解,建立机器人的逆运动学模型;在此基础上,提出一种搜索算法,用于描绘满足边界条件的机器人运动空间,并与相同尺度参数的3自由度Delta机器人进行对比。结果表明,3自由度Delta机器人的运动空间是所提机器人工作空间的子集。最后,根据理论分析,完成了工程样机的搭建与运动实验,实验结果表明,该Deta型机器人具有6个自由度运动能力,且所提运动空间搜索算法具有较高的计算精度。     

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。     

农业机器人并联视觉云台研究

针对智能农用机器人对机器视觉工作范围的需求,提出了一种用于农业机器人的并联视觉云台设计方案。基于双摇杆的输入输出特性,提出了一种运动支链设计方法,用于构建二自由度全球面工作空间解耦并联机构。在此基础上,衍生出两种可行的运动支链P5R和PRR,基于这两种运动支链,设计了2种二自由度全球面工作空间并联视觉云台RRP5R和RRPRR。通过运动学分析,分别建立了2种机构的位置关系表达式;通过尺寸优化,得到了2种机构的最优杆长比;通过对比得出,RRP5R型并联视觉云台具有更好的输入输出性能;通过有限元分析,研究了载荷对RRP5R型并联视觉云台运动精度的影响。结果表明,RRP5R机构强度满足要求,但杆件的累积弹性变形导致运动副的位移偏差较大。     

基于工作空间的果园作业平台结构参数优化与试验

为提高果园作业平台的适用性和操作灵活性,根据乔砧密植的纺锤形苹果种植模式确定其目标工作空间,以工作空间尺寸偏差、工作空间体积和平均可操作度描述其可达工作空间性能,分析了平台主要结构参数杆长和关节变量（关节角、连杆偏移）对工作空间性能的影响。建立了以可达工作空间性能和结构紧凑为指标的优化模型,利用遗传算法求解得出最优参数为：杆2和杆4的长度分别为988、879mm,关节1、3的关节角范围分别为[107°,256°]、[-118°,-76°],关节5、6的连杆偏移最大值分别为720、340mm。优化后其可达工作空间尺寸偏差分别减小96.09%、95.60%,体积减小4.69%,平均可操作度增加1.43%。对优化后的果园作业平台进行了实地果园工作空间试验,结果表明：承载质量为65kg、横坡坡度为15°、纵坡坡度为15°时,工作空间尺寸偏差最大,分别为16.2、16.7mm,比原型分别减小93.89%、93.76%。     

一种运动部分解耦的2R2T并联机构运动学与性能分析

提出了一种新型四分支并联机构。采用李群理论对机构进行了自由度分析,该机构能输出两转动两移动运动,可由与机架相邻的移动副驱动。研究了机构的位置模型,推导得到了位置反解和正解的表达式,分析了机构的运动部分解耦特性。求解了机构的雅可比矩阵,基于雅可比矩阵行列式讨论了其奇异位形。绘制了机构的工作空间及内部奇异分布,机构的奇异分布在工作空间边缘,具有很大的转动能力。机构在中间位置两个方向的转角范围分别可达-44°～60°和-35°～52°。对机构进行了运动/力传递性能分析,得到了工作空间内的性能分布情况,以全域传递指标为目标对机构进行了尺度优化。     

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。     

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。     

番茄收获机械手工作空间分析与仿真

采用Denavit-Hartenberg坐标系,通过齐次变换法建立了7自由度番茄收获机械手的正运动学方程,利用蒙特卡洛方法对机械手工作空间进行仿真和分析.结果表明,番茄收获机械手工作空间内部工作点密集且分布均匀,能够满足番茄采摘高效作业的要求.蒙特卡洛法求解速度快,能够简单、直观形象地描绘机械手的工作空间.     

1T2R并联机构拓扑降耦设计与运动性能分析

根据基于方位特征（POC）方程的并联机构拓扑结构设计理论与方法,设计了一种能实现一平移两转动（1T2R）的并联机构,分析了该机构的方位特征（POC）、自由度（DOF）及耦合度（κ）等主要拓扑特性。由于该机构仅含1个耦合度κ=1的子运动链（SKC）,得不到符号式位置正解,为此对其进行拓扑降耦设计,得到了零耦合度（κ=0）、具有符号式位置正解、但POC/DOF保持不变的1T2R并联机构,并推导出其符号式位置正解和位置反解,基于雅可比矩阵对机构的奇异性进行了分析,基于符号式位置正解对机构的工作空间进行了计算分析。基于符号式位置正解的工作空间计算方法具有无需预估工作空间范围、计算量少、工作空间边界计算精确等优点。