4自由度冗余驱动并联机构运动学和工作空间分析

提出了能实现二维转动和二维移动的空间4-UPS-RPU4自由度冗余驱动并联机构,并对该机构进行了运动学和工作空间分析。4-UPS-RPU并联机构包含5条驱动分支,其中4条分支为UPS(虎克铰-移动副-球副)结构,1条分支为RPU(转动副-移动副-虎克铰)结构。建立了该机构的位置反解数学模型,推导出了该机构的速度雅可比矩阵和加速度分析表达式,求解了机构的位置反解、速度和加速度,并在此基础上分析该机构的工作空间。研究结果为4-UPS-RPU冗余驱动并联机构的实际应用提供了理论依据。     

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。     

6_PUS并联机构奇异判据推导与奇异性分析

根据6_PUS并联机构的力螺旋平衡方程,采用支链力分解方法推导了该机构的力雅可比矩阵,进而得到其运动雅可比矩阵.由运动雅可比矩阵得到了6_PUS并联机构发生奇异的条件,并以奇异条件为基础归纳了该机构二类奇异的几何特征.为了便于在全工作空间中研究机构的奇异位姿,提出了一种更能反映机构运行需求的奇异域概念,作为研究机构奇异位姿和避免奇异的基础,建立了奇异域的数学表达式.通过仿真研究获得了6_PUS并联机构在全工作空间内2类奇异域的分布,提出了避免机构进入奇异域和发生奇异的方法,为该机构的设计提供了参考.     

基于改进蚁群算法的3-PPR并联机构位置正解研究

针对3-PPR并联机构位置正解问题,运用螺旋理论计算其自由度,并分析其运动特性,同时通过解析法构建该并联机构的完整运动学逆解。将并联机构运动学正解问题的求解转化为对目标函数优化问题的求解,并基于此建立该并联机构正解的目标函数优化模型。通过对基本蚁群算法进行有效的改进,构建了可用于求解连续优化问题的改进蚁群算法。运用该算法求解3-PPR并联机构的运动学正解并进行Matlab仿真分析,对比传统数值方法和改进蚁群算法,证实该算法具有良好的全局寻优能力,并能避免初值和局部最优值对计算结果的影响,可有效应用于求解并联机构的位置正解问题。     

6支链台体型Stewart衍生构型位置正解半解析算法

目前6支链Stewart并联机构位置正解无全解析解或全解析解推导困难,不利于程式化分析计算,本文设计4种6支链台体型Stewart衍生构型,并构建了一种数值法和解析法相结合的半解析算法。通过添加6条虚拟支链,4种衍生构型可重构为同一种12-6台体型拓扑构型;推导了重构构型的协调方程,并针对4种衍生构型,推导了虚拟支链长度的数值解;基于动平台上特征点之间的拓扑关系,推导了重构构型位置正解的全解析解。进一步对比分析了半解析算法与传统数值法在计算位姿正解时的精度、效率和稳定性。数值算例表明,半解析算法的精度与稳定性优于传统数值法至少2倍,但传统数值法的效率是半解析算法的7倍;同时得到了半解析算法的3点构型选取原则。     

3—RPS并联机构正解快速数值算法

提出了一种求解3-RPS并联机构正解的快速数值解法.利用3-RPS型并联机构的结构特征,首先计算出一组位姿坐标作为迭代初值,然后通过逆解求出上平台各个铰支点的坐标,并对其进行修正,得到一组新的位姿坐标.如此反复迭代,最终得到精确解.新算法物理模型清晰,计算公式简单.由于不需要计算雅可比矩阵及其逆阵,所以计算工作量较小....     

恒定雅可比3—PRRR移动并联机构及其传递性能研究

提出了一种具有雅可比矩阵恒定特性的3-PRRR三维移动并联机构,当选取移动副作为主动输入时,该机构具有雅可比矩阵恒定的特性。基于螺旋理论分析了3-PRRR并联机构自由度,利用矢量法建立位置正/反解模型,进而得到了该机构的工作空间。基于传递力螺旋和主运动螺旋求解了该机构的雅可比矩阵,从得到的机构速度/力变化曲线可知,在确定的输入下,机构输出参数曲线在不同位姿下相重合,从而验证了该机构雅可比矩阵恒定。在此基础上,分析了该机构的传递性能,得到了分支传递功率与β(移动副和转动副轴线夹角)的关系曲线,可知输入功率不变时,机构的传递功率随着β的增大而减小。分别选取β为0°和30°时绘制该机构输出速度和力曲线,得到该机构在β为0°时传递性能最佳。     

Delta并联机构正向运动学标定方法研究

为提高Delta操纵机构位置测量精度,提出了一种离线参数辨识标定方法.根据机构结构和运动学模型,对影响操作端精度的各项误差源进行分析,建立了含误差参数的正向运动学模型;通过分析各项误差源对操作端位置误差的影响,发现12项装配误差对操作端的位置影响较大,提出对运动学模型中的装配误差进行参数辨析,以此修正正向运动学模型;试验结果表明,标定后的Delta机构提高了位置重复测量精度.     

基于引导人工蜂群算法的3—RPS并联机构正解优化

提出了一种求解3—RPS并联机构正解优化的快速数值解算法,采用数值优化方式将正解转换为最小化问题。针对3—RPS并联机构位姿正解优化,采用数值法建立该并联运动平台正解方程,其实质为带约束的多目标非线性方程组。建立判定方程实现方程组单目标优化,采用引导人工蜂群算法进行最小值优化求解。该算法既利用了基本人工蜂群算法中邻近蜜蜂交换蜜源信息的方式,又采用全局最优蜜蜂引导所有蜜蜂往更优蜜源处移动,更快速地搜索到最优蜜源位置。通过求解3—RPS正解数值解优化仿真算例分析,对比改进蚁群算法和基本人工蜂群算法,结果表明引导人工蜂群算法是高精度高速求解并联运动平台正解优化的一种有效方法。     

空间并联机构运动学分析的共形几何代数方法

提出了空间并联机构运动学分析的集几何表示和计算为一体的共形几何代数方法。以动平台上的坐标原点描述动平台的位置,以欧拉角描述动平台的姿态,给出了动平台上任意一点在定坐标系中位置的共形几何代数表达式,进而提出了一种建立空间并联机构运动学方程的数学建模方法。根据所建立的运动学方程,可进行空间并联机构的运动学正解和运动学反解分析。通过一种4-UPU空间并联机构运动学分析,进一步阐述了所提出的共形几何代数运动学分析方法,通过数值实例验证了所提出方法的正确性和有效性。     

6-UPS并联机器人快速正向运动学研究

根据平面平台型6-UPS并联机器人的结构特点,选取3个代表点的空间坐标作为参数来描述动平台的位置和姿态,结合3个代表点之间的约束条件,建立9个参数的一次与二次多项式方程组,通过对方程组进行消元处理,最终得到6个未知数表示的二次多项式方程。针对所获得的二次多项式方程组特点,改进传统牛顿-拉夫森数值迭代算法,并将其用于并联机器人的一般六维二次多项式方程数值求解,迭代算法收敛并可得到唯一解。数值算例表明,在同等条件下,传统旋转矩阵方法的计算时间为1. 42～2. 67 ms,所提代表点算法计算时间为0. 14～0. 23 ms,大大减少了计算时间,提高了收敛速度和计算效率,为并联机器人高性能闭环实时控制奠定了良好基础。     

双模融合6-[(RPRRRP)R-R]US并联机构运动学分析

针对工程上对不同性质的运动需要叠加融合的一类应用需求,设计一种能够实现双模式运动融合的6-[(RPRRRP)R-R]US型并联机构。阐述了将机构原驱动副R转换为(RPRRRP)R-R双输入子闭环机构的方法。对机构单模式工作和双模式融合工作分别进行运动学正、反解分析,提出两种双输入反解驱动分配策略,根据双输入子闭环和外层6-RUS机构特点分别采取二分法和牛顿法进行运动学正解运算,并给出求解流程图。通过数值算例,分别对单轴运动下的双模融合、多轴复合运动下的双模融合的反解运算以及双输入融合驱动下的正向运动学进行理论计算,并对不同情况下的算例进行运动学仿真,结果表明理论值与仿真值之差均在10-6量级,证明了理论方法的正确性和有效性。该机构可应用于车载、船载以及星载设备的指向与稳定协同调节装置,提升载体设备的作业性能。     

一种3（Ra)PS变胞并联机构构型与运动学分析

研究一种基于变胞铰链Ra (Reconfigurable axis)的新型3(Ra)PS变胞并联机构的可重构特性和统一运动学分析方法.根据约束螺旋系统表明,在一个构态下,(Ra) PS支链对平台没有约束,而在另一个构态下,通过改变可重构铰链Ra铰内轴线的位置,可以提供一个约束力.支链的两个构态使3(Ra) PS变胞并联...     

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。