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。     

冗余驱动并联机构动力学模型TVC优化H∞鲁棒控制

针对冗余驱动并联机构控制系统设计未结合动力学建模,未考虑伺服阀动、静态特性等问题,基于第二类Lagrange方程和流体力学动力学知识,对动平台及液压系统中机械、液压系统建模,建立电液伺服系统五阶传递函数模型,通过主导能量最优模型将其降为三阶模型。以此为控制对象提出了基于三矢量控制(Three vector control,TVC)反馈优化的H∞鲁棒控制策略(TVC-ROB),并与TVC前馈反馈控制、TVC反馈优化的模糊自适应PID控制(TVC-FAPID)两种控制策略在阶跃信号、线性扫频、实际武广谱路谱等进行对比分析。结果表明,TVC反馈的提出有效拓展了系统频宽,且提高液压系统阻尼比和固有频率,因此TVC-ROB在高频跟踪性能上改善较为明显,其位移误差百分比仅为1. 26%,且引入的H∞鲁棒控制提高了系统抗扰、抗噪性能。     

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。     

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。     

基于模型的冗余驱动并联机构神经网络同步协调控制

冗余驱动并联机构驱动数目大于自由度数目,其各驱动关节间需要具有更高的驱动协调性。为了解决冗余驱动并联机构的驱动协调问题,本文提出了一种基于模型的驱动力同步协调控制方法。以冗余驱动并联机构6PUS+UPU为研究对象,在力位混合驱动的基础上,提出了一种驱动力同步协调控制策略;结合神经网络设计了驱动力同步控制器,并基于机构动力学模型设计了神经网络自学习算法。模型仿真与样机实验分别验证了本文方法的有效性。     

基于支链驱动理论的解耦球面转动并联机构型综合

针对解耦并联机构与串联机构的运动学相似性,提出一种解耦球面转动并联机构的支链驱动理论,将解耦并联机构分为基本运动支链和驱动支链.在此基础上,推导得到球面转动并联机构运动解耦的拓扑条件,并利用该条件综合得到多种结构新颖的球面转动并联机构.经运动学分析表明:此类机构具有3个独立的转动自由度,且每个自由度仅由单个驱动器控制,实现了球面转动并联机构的运动解耦.     

具有驱动容错性的冗余并联机构构型综合

目前并联机构大多采用容错控制策略实现驱动故障容错,而从并联机构结构设计角度研究较少。本文基于雅可比矩阵,提出一种评价并联机构分支驱动力失效的可操作性失效度指标,并以冗余并联机构为研究对象,给出机构具有驱动力失效容错性的驱动“同一性”条件。基于螺旋理论,提出一种具有驱动容错性的冗余并联机构构型综合方法,综合出一类具有驱动容错性的三转动冗余并联机构新构型。本文为解决冗余并联机构驱动力失效问题提供了新的思路,丰富了并联机构的构型,为具有驱动容错性的冗余并联机构的应用发展提供了理论基础。     

4-PRR冗余并联机构驱动力与能耗优化

为在不同马赫数下的流场中进行风洞试验,需对喷管段的型面进行精确控制,为此设计了一种可以实现姿态调整的平面3自由度4-PRR冗余并联机构,根据机构运动特点,利用封闭矢量法和影响系数法求解该机构运动学逆解。在运动学基础上,利用虚功原理建立了该机构的逆动力学模型,然后根据冗余并联机构驱动方式不唯一的特点,提出驱动力二范数与最小驱动总功率的优化方法,分别得到驱动力与驱动功率曲线,并与非冗余3-PRR并联机构的驱动力与驱动功率进行对比。结果表明,冗余驱动能够较明显地降低驱动器的瞬时驱动力、瞬时驱动功率和运动周期内驱动器所做功,两种优化方法驱动器做功分别减少了49. 2%和50. 7%。结合驱动力二范数、最小驱动总功率的优化结果,选取适当的驱动方式可以实现冗余并联机构驱动器瞬时驱动力与瞬时驱动功率的均衡与优化,并降低机构运动过程中的功耗。     

冗余驱动并联机器人动力学建模与驱动力协调分配

冗余驱动可有效降低并联机构的最大瞬时驱动力,提高其承载能力,然而驱动力协调分配不当或冗余驱动力控制误差过大不仅使上述功能无法实现,甚至产生过大内力而对机构造成破坏。为此,以冗余驱动6PUS-UPU并联机器人为例,对驱动分支、约束分支和动平台的速度、加速度进行分析,引入偏速度和偏角速度,使用Kane方法建立系统的动力学方程。提出以最小化最大瞬时驱动力为目标,使用加权最小二乘法对驱动力进行协调分配,通过数值算例获得给定运动轨迹情况下各分支驱动力。采用DSP控制器和运动控制器相结合的方式提高驱动力协调分配的实时性,实现对冗余驱动力的控制。实验结果表明:在冗余驱动力作用下,瞬时最大驱动力明显降低,且驱动力分配更加均衡,证明了所提出的驱动力协调分配方法和冗余驱动力控制策略的有效性。     

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。     

2-PUR-PSR并联机构尺度综合多目标优化

针对由外副驱动的三自由度两转一移并联机构运动学性能优化问题,提出一种尺度综合多目标优化设计方法。首先,运用螺旋理论分析机构的运动学性能;其次,将可达工作空间离散为n层,采用极坐标方法计算每层高度的最大内切圆,通过数值方法计算由每层最大内切圆构成的规则圆台工作空间体积;然后,以规则工作空间体积和全局运动/力传递指标为目标函数,以驱动限制和关节转角限制为约束条件,以机构参数为设计变量;最后,采用多目标粒子群优化算法得到目标函数的Pareto最优解集。结果显示,两个目标函数之间存在相互冲突,Pareto前沿的全局运动/力传递性能(GTI)最优值比优化前提高了57.57%,规则工作空间体积（Vr）最优值比优化前提高了37.59%,证明了优化方法的有效性。     

2RPU+2UPR+RPR多冗余驱动并联机构运动学分析与优化

提出一种RPR型多冗余驱动两转一移并联机构2RPU+2UPR+RPR。基于螺旋理论建立机构运动螺旋系与约束螺旋系,分析机构自由度性质;建立机构运动学模型,基于软件仿真结果验证理论模型正确性;推导机构传递螺旋系,建立机构局部性能指标与全域性能指标;基于优质工作空间和优质传递性能分布对机构进行尺度优化,获得机构优化尺度与传递性能图谱,分析关键尺度参数对机构传递性能的影响;基于雅可比矩阵和传递性能分布分析优化尺度下机构奇异特性,机构在优化空间内无奇异位形。     

2-UPR-PRU并联机构静刚度模型建立与性能分析

针对2-UPR-PRU两转一移三自由度并联机构,采用螺旋理论和应变能方法对其进行系统的静刚度模型建立与性能分析。基于闭环矢量法建立2-UPR-PRU并联机构的运动学逆解模型。考虑分支杆件的柔性,采用螺旋理论和应变能方法推导2-UPR-PRU并联机构各分支的刚度矩阵,结合变形协调方程构建2-UPR-PRU并联机构的整体刚度矩阵,得到外载作用下机构在不同位型的变形情况和整体柔度矩阵,并通过ANSYS软件进行数值仿真验证。基于静刚度模型分析2-UPR-PRU并联机构的虚功刚度指标,获得2-UPR-PRU并联机构在不同外载和操作高度情况下的静刚度性能分布图谱。研究结果对于设计样机、提高机构的控制精度方面有重要的参考价值。     

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。     

液压并联机器人力/位混合控制策略研究

针对液压驱动的六自由度并联机构,提出了基于机器视觉的力/位混合控制策略,以实现并联机构的跟随对接等需要与环境密切接触的任务。平台的视觉系统由一架CCD摄像机和一个激光测距器构成,用来测量平台与目标之间的相对距离,同时通过一个平板式六自由度力传感器对接触过程的作用力进行测量。其控制器由内外两个闭环构成,并通过补偿环节对外力扰动进行修正。最后通过若干试验验证整个控制方式的有效性。试验结果表明,整个系统在相对位置跟踪和接触力控制方面具有优异的性能。在整个对接试验过程中,接触力被控制在300 N之内。     

两支链三平移并联机构动力学分析与性能优化

对前期提出的三平移并联机构2P4R(Pa)-PR(Pa)R进行了动力学分析及其性能优化。首先,基于该机构的符号式位置正解,直接求得其各杆件（角）速度和（角）加速度;然后,采用基于虚功原理的序单开链法,对该机构进行动力学建模,并通过比较3个驱动力的理论计算值与仿真结果,验证了动力学建模的正确性;进一步,以杆件长度和质量参数作为设计变量,以可达工作空间和能量传递效率两种性能指标为目标函数,对该机构进行运动学和动力学性能的二级递进优化,得到机构在上述两种性能指标下的最优解,使机构可达工作空间性能指标提高56.2%,全局能量传通效率性能指标提高63.6%,为机构设计与样机研制奠定了基础。     

四指软体机械手机械特性分析与抓取试验

软体机械手在易损物品抓取方面具有其独特的优势,近年来成为机器人领域的研究热点。为便于评价软体机械手的整体性能,实现其精确抓取控制,需要对软体机械手进行建模分析与试验研究。本文设计了四指软体机械手,每个手指单元内置用于实时检测机械手弯曲角的柔性应变传感器;建立了不同气压作用下的弯曲角和末端输出力特性的数学模型,并分析限制层刚度变化对软体手指输出特性的影响;设计了软体机械手控制系统,在此基础上开展软体手指的弯曲角和末端输出力特性试验,试验结果表明调节限制层刚度可有效改善输出力,理论分析与试验结果吻合,验证了数学模型的正确性。对几种不同质量的常用水果（如草莓、橘子、梨、苹果）的抓取试验结果表明,软体机械手能够实现对易损物体的无损抓取,其包络抓取力最大为11.89N,指尖抓取力最大为2.81N。