五自由度并联机器人机构动力学模型

提出了4-UPS-UPU 5自由度并联机器人机构,建立了机构的动力学模型.推导了UPS和UPU支链的运动学反解的解析方程,并建立了各个构件速度与动平台速度的映射关系;推导了各个运动构件的外力对应于5个驱动杆的等效驱动力,然后用虚功原理推导了4-UPS-UPU并联机器人机构的动力学模型,为支链中驱动力和约束力矩的求解以及整个机构的动力学分析奠定了基础.最后结合机构的工程应用实例,采用Matlab编程对动力学模型进行了实际计算,并绘制了机构驱动杆驱动力和约束力矩的变化曲线,将上述分析结果与ADAMS虚拟仿真结果对比验证了所建动力学模型的正确性.     

冗余驱动的三平动并联机构性能分析与优化

提出一种冗余驱动的三平动并联机构。利用李群理论和修正的Grübler-Kutzbach公式对机构的输出自由度进行了分析。建立机构的位置方程,得到位置逆解和正解表达式,分析机构的运动部分解耦特性。推导机构的雅可比矩阵,并进行奇异分析。分析机构的工作空间。采用螺旋理论和虚功原理,建立机构的动力学模型,得到驱动力的优化分配,驱动力理论分析与仿真计算结果最大偏差为0.6%。建立机构的运动学评价指标和动力学评价指标,并研究尺度参数与机构性能间的映射关系。基于性能图谱对机构的尺度参数进行优化,提高其综合性能。     

空间4-UPS/RPS并联机构动态静力分析

为了对空间4-UPS-RPS五自由度并联机构进行受力分析,采用达朗贝尔原理建立了并联机构的动态静力学方程,进而对机构受力情况进行了分析。首先,推导出了4-UPS-RPS并联机构的位置反解、速度反解和加速度反解的表达式;然后,应用达朗贝尔原理建立了4-UPS-RPS并联机构的动态静力学方程,导出了机构中5个驱动力;最后,分别利用Matlab理论计算与ADAMS虚拟样机仿真得到机构驱动杆的驱动力和动平台上球面副约束反力的变化曲线,验证了所建动态静力学模型的正确性。研究不仅为4-UPS-RPS并联机构驱动力和运动副反力的求解和结构设计提供了理论依据,也为其他空间并联机构的受力分析提供了可行的方法。     

6—SPR并联机构运动学的一种分析方法

以建立惯性参数辨识的动力学方程为目的,提出了6-SPR并联机构运动学的一种分析方法.首先将各分支链视为独立的串联机构,确定各构件的空间位姿.其次构造并合理简化影响系数矩阵,将质心坐标从矩阵中分离出来,则构件的运动可以唯一地用其自身的质心坐标表示.以上平台为例进行理论计算,并用ADAMS软件进行了仿真验证.     

矢量推进解耦球面并联机构动力学研究

为实现水下机器人的矢量推进,提出了一种2自由度解耦球面并联机构。基于螺旋理论计算了机构的自由度,分析了机构的运动学,获取了机构的运动学正逆解。利用一阶运动影响系数法推导出了机构的雅可比矩阵,并在旋量形式的牛顿-欧拉方程基础上,运用船舶水动力学的螺旋桨推进理论,建立了机构的动力学方程,并给出了相应的数值算例。     

基于拉格朗日的冗余驱动并联机构刚体动力学建模

针对4-UPS-RPU 4自由度冗余驱动并联机构的刚体动力学建模问题,基于拉格朗日方程建立冗余驱动并联机构动力学模型。首先,推导出4-UPS-RPU冗余驱动并联机构系统的动能表达式、势能表达式和作用于并联机构非保守力的等效广义力;然后,应用拉格朗日法建立4-UPS-RPU冗余驱动并联机构的动力学模型,为并联机构驱动力的求解以及整个机构的动力学分析奠定基础;最后结合算例,采用Matlab编程对动力学模型进行数值计算并绘制了机构驱动杆驱动力变化曲线,将上述分析结果与ADAMS虚拟仿真结果对比验证了所建动力学模型的正确性。研究不仅为4-UPS-RPU 4自由度冗余驱动并联机构动力学优化设计和控制等后续研究提供了理论依据,也为其他冗余驱动并联机构的动力学建模提供了可行的方法。     

3-PRR柔性并联机构动力学分析

提出一种可应用于微/纳操作领域的3-PRR柔性并联机构,基于Euler-Bernoulli梁理论,采用假设模态法,分析支链上从动杆的柔性,结合实例说明了将从动杆视为刚性杆处理的依据.为进一步分析各构件惯量参数和柔性构件刚度对系统固有频率的影响,采用拉格朗日方程建立了修正的机构动力学振动微分方程,并结合实例进行分析,利用仿真计算验证了所建模型的有效性.     

双环多杆天线展开机构运动学与动力学分析

针对一种双环多杆天线展开机构进行了运动学与动力学特性分析,首先分析了展开机构构型特征,并对整体机构进行了单元分解,基于螺旋理论,绘制了单元机构的螺旋约束图;进而建立了单元机构的螺旋约束方程组,然后通过螺旋速度递推求得机构中构件的角速度和质心线速度,采用坐标转换求导法得到了速度雅可比矩阵,利用螺旋导数并基于螺旋加速度合成法则得到了构件的螺旋加速度和角加速度以及质心线加速度;最后基于拉格朗日方程,建立了整体机构的动力学方程,通过数值计算与模拟仿真,分析得到了不同构件的运动学与动力学特性,验证了理论推导的正确性。本文分析的双环多杆天线展开机构为单自由度机构,整体结构简单,仅需一个驱动便可收拢和展开,基于螺旋理论和拉格朗日法相结合的运动学和动力学建模分析方法物理意义明确,可以较好地应用于此类空间可展开机构的分析中。     

RRR—UPRR—RPUR球面转动并联机构运动学分析

构造了RRR-UPRR-RPUR球面转动并联机构,该机构具有3个连续的转动自由度,其中2个转动自由度完全独立并由单个驱动器驱动,实现了三自由度球面转动的运动解耦.首先,根据螺旋理论建立运动支链中运动副在一般位形下的运动螺旋形式,实现对球面转动并联机构自由度的连续性判断.其次,利用线性代数方法,推导出并联机构动平台及相邻杆件的运动学模型,建立了球面转动并联机构的运动学正解的解析算法.最终,利用软件实体造型的运动仿真功能验证了理论计算结果.     

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。     

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。     

非对称三平移并联机构的运动条件设计

在分析三平移并联机构结构组成、运动输出特点的基础上,用螺旋理论的方法研究了并联机构实现三平移的必要和充分条件,根据实现三平移的运动条件及机构支路的结构特点,设计了一种新型非对称的三平移并联机构。该机构具有良好的运动解耦性、易控制、加工简单等特点,该研究亦为三平移并联机构的分析与综合打下了基础。     

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。     

对称三自由度并联机器人拓扑结构型综合与分类

以单开链支路为单元,揭示了对称少自由度并联机器人组成的规律,提出了输出运动为3自由度并联机器人的型综合方法.型综合共得到5种对称的三维平移3自由度的并联机器人和6种对称的三维转动3自由度的并联机器人.     

末端铰接三平动并联机构设计与性能优化

针对高性能3D打印需求,提出了一种结构简洁且高效的三平动(3T)并联机器人。首先,为得到期望的自由度构型,提出一种拓扑演化设计方法,即将一种三平一转自由度(3T1R)并联机构作为初始构型,根据螺旋理论解析该机构自由度及其性质,在此基础上,将动平台向其中心无限缩聚至一点,并使3条支链的末端连杆铰接于该点,进而对机构的末端铰接杆进行再设计,最终演化得到一种仅存在转动副且末端含铰接结构的三平动并联机构。其次,根据输入关节与末端铰接点之间的关系,采用几何投影法和闭环矢量法构建该并联机构的运动学方程,推导其位置正/逆解,并进一步得到速度雅可比矩阵,进而建立速度和加速度映射模型。随后,利用分层切片的搜索算法,预估机器人工作空间,并分析其奇异性。为综合评估机器人性能,对机构灵巧度、速度、承载力及刚度性能指标进行分析,进而提出一种多目标优化设计模型,并据此开展尺度综合,获得最优尺度参数。最后,借助多体动力学软件进行轨迹跟踪仿真校验。研究结果表明,该并联机器人结构简洁紧凑,性能优良,为其后续实体样机制造及实际应用奠定了理论基础。     

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。     

四自由度两模式并联机构结构综合与位置分析

为设计可实现一机多用的并联机构,提出了多模式并联机构的结构类型综合方法以及操作模式分析方法。首先利用方位特征集方法,综合得到一类(640种)具有运动分岔特性的4自由度并联机构;然后从中优选出一种机构进行操作模式分析,分析结果表明:机构处于分岔奇异点时动平台瞬时自由度为5,此时采用冗余驱动的方法可引导动平台通过分岔奇异点顺利到达三平移一转动或两平移两转动模式;最后推导了该并联机构处于上述2种操作模式时的位置正、逆解分析方程,得知位置逆解方程和三平移一转动模式时的位置正解方程均可解析求解。     

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。