无耦合空间移动并联机构型综合

为解决利用一般型综合方法得到的并联机构具有强运动学耦合性的问题,基于驱动力螺旋理论提出了一种无耦合空间移动并联机构型综合的系统方法。首先建立了无耦合移动并联机构运动输入输出关系的数学模型;然后根据机构速度雅可比矩阵为对角阵的条件推导出分支运动链驱动力螺旋和主动运动螺旋的形式;再根据互易积原理建立了分支运动链非主动运动螺旋的确定方法,给出了分支运动链型综合准则和步骤;最后将所综合的3条分支运动链按照指定的配置方式将动平台和静平台连接起来即可得到具有预期运动特性的机构。本文共综合出60种具有对称结构的无耦合空间移动并联机构,其中非过约束机构有47种,含有惰性副的有29种。所得到的部分机构的雅可比矩阵为单位阵,且其条件数恒等于1。这些机构具有较好的运动和力学传递性能,进一步丰富和完善了并联机构的型综合理论。     

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。     

并联式球面变胞机构及其完整雅可比矩阵

提出了一种球面变胞机构。该机构采用并联连接方式,由动平台、静平台、3个环形支链和1个中间变胞支链组成,通过变胞支链提供不同约束,机构可演变为正常构态和变胞构态两种机构形式。正常构态时,动平台相对静平台具有3个转动自由度,等效于3自由度球面机构;变胞构态时,动平台具有一个额外的径向移动自由度。以螺旋理论为基础,首先分析机构的自由度数目和性质;其次,构建机构的运动子矩阵和约束子矩阵,并将约束子矩阵和运动子矩阵联立,建立完整的6×6雅可比矩阵;最后,分析雅可比矩阵的秩,得到机构产生奇异位形的条件,研究奇异位形的类型,提出避免发生奇异的方法,为机构设计提供理论依据。     

基于牛顿欧拉法的2UPS-2RPS并联机构逆动力学分析

2UPS-2RPS为具有两种不同支链结构的4自由度并联机构,具有结构简单,制造成本低,控制容易等优点.由于自由度数目少于6,机构的支链不仅传递驱动力,同时还向末端提供约束力,因此在对机构动力学控制及尺度和截面参数动力学优化时,驱动力和约束力分析都是必要的.本文运用牛顿欧拉法建立了该机构的逆动力学方程.在给定动平台的运动规律和外力后,通过动力学方程求解得出所需驱动力和约束力矩,并给出仿真实例.     

基于牛顿欧拉法的2UPS-2RPS并联机构逆动力学分

2UPS-2RPS为具有两种不同支链结构的4自由度并联机构,具有结构简单,制造成本低,控制容易等优点。由于自由度数目少于6,机构的支链不仅传递驱动力,同时还向末端提供约束力,因此在对机构动力学控制及尺度和截面参数动力学优化时,驱动力和约束力分析都是必要的。本文运用牛顿欧拉法建立了该机构的逆动力学方程。在给定动平台的运动规律和外力后,通过动力学方程求解得出所需驱动力和约束力矩,并给出仿真实例。     

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。     

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。     

三平移并联机构的综合

对并联机构进行综合,通过对三平移并联机构的设计,得出新型三平移机构3T-0R,并运用ADAMS软件分析其自由度,分析其运动特性,得到的曲线与最初设计一致,ADAMS软件对新机型进行运动学仿真验证了其正确性。     

三平移并联机构的综合

对并联机构进行综合,通过对三平移并联机构的设计,得出新型三平移机构3T-0R,并运用ADAMS软件分析其自由度,分析其运动特性,得到的曲线与最初设计一致,ADAMS软件对新机型进行运动学仿真验证了其正确性。     

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。     

基于POC方法的少自由度无过约束并联机构构型综合

根据基于方位特征集和序单开链单元的并联机构拓扑结构设计理论,提出了一种基于基本回路过约束特性的无过约束并联机构设计方法。首先,分析动平台方位特征集、支链方位特征集以及基本回路独立位移方程数三者之间的关系,确定了少自由度无过约束并联机构构型的存在条件,给出了无过约束并联机构构型综合的方法和步骤。然后,按照支链类型及其对动平台提供的约束不同,将无过约束并联机构构型分为3类,表明通过不同类型的支链组合可得到不同性能的无过约束并联机构新构型。最后,通过典型实例总结无过约束并联构型的支链组成及其装配规律。     

基于几何代数的并联机构自由度自动化分析

基于R(3,3)几何代数,提出一种符号描述并联机构自由度的自动化算法。首先根据螺旋副之间的几何关系,利用R(3,3)几何代数能符号描述刚体运动的优势,自动求解并联机构各支链螺旋系;然后利用R(3,3)几何代数能符号表示集合交集和并集的优势,自动求解动平台运动空间,该运动空间为所求并联机构自由度的符号表示式;最后基于C++软件平台对这种并联机构自由度自动化求解算法进行验证。使用R(3,3)几何代数不仅能通过刚体运算法则得到支链螺旋系的符号表达,同时可以直接求解动平台运动空间,省去一般螺旋理论求互易螺旋需求解线性方程的过程,算法简洁,可以得到并联机构自由度的符号表达式,从而实现自动化分析。     

基于唯一域方法的机器人逆向运动学求解

针对机器人的逆运动学多解问题,提出一种基于唯一域求解的新方法。利用机器人的雅可比矩阵行列式等于0确定的边界,将机器人的关节空间划分为与逆运动学多解数目一致的唯一域;各唯一域的边界作为约束条件,将唯一域内的逆运动学求解转换为CMA-ES算法的有约束寻优;利用佳点集均匀分布性的特点,优化唯一域中CMA-ES算法求解的初始均值点。通过求6R工业机器人的逆运动学多解,阐述了该方法的应用,并以机械臂逆解数值法为参照,在钱江一号6R工业机器人和KUKA仿人机械臂上进行了2个仿真实验对比。仿真结果表明,本文所提方法在满足精度要求的前提下,平均求解时间更短。实验1中,CMA-ES算法求解一组逆解的平均速度约为5.1ms/次,数值法求解的平均速度约为7.5ms/次;实验2中,一组逆解的求解平均速度约为18.9ms/次,数值法求解的平均速度约为54.8ms/次;CMA-ES算法对两款机器人的位置跟踪精度均稳定在10-6mm数量级。     

基于螺旋理论的球面并联机构动力学解析模型

提出了一种应用螺旋理论建立球面五杆并联机构动力学解析模型的方法。应用螺旋理论导出了球面五杆机构的一、二阶影响系数。基于凯恩方程和数值一符号方法,把机构的广义坐标以及构件的惯性参数和几何参数处理为符号量,将动力学模型矩阵的推导问题转化为特定条件下运用运动学和动力学公式求解驱动力的问题,建立了球面五杆并联机构的动力学解析模型。给出了动力学模型矩阵元素的解析代码生成和仿真计算实例,并讨论了球面机构的构件尺寸参数和惯性参数对机构驱动力矩的影响。     

空间曲线平移并联机构构型综合与分类

针对现有机构分析与综合理论方法存在综合结果不完整、无法适用于弯曲平移机构等问题,提出了空间曲线平移并联机构构型综合及分类方法。首先,借鉴高斯非欧几何的内蕴思想,将直线、曲线、平面以及曲面等均视作可描述末端构件平移特征的独立空间,进而建立了可描述弯曲平移运动特征的表达模型;其次,研究了支链末端构件弯曲平移运动的形成机理,并制定了相应的运动特征求并运算规则;然后,根据形态特征将空间曲线平移并联机构划分为9种基本类型;最后,以柱柱相贯线平移机构和柱锥相贯线平移机构为例,给出了空间曲线平移并联机构的构型综合方法。     

基于结构相似性的并联机构拓扑与尺寸同步设计方法

随着并联机构从单一尺寸设计和拓扑设计向两者融合方向不断发展,基于拓扑叠加-再惩罚和全变量正交设计-再拓扑的同步设计方法得到广泛应用,但两者存在设计效率低等不足。为解决上述问题,本文提出了一种基于结构相似性的并联机构拓扑与尺寸同步设计方法,该方法拓扑优化时以相同质量保留此条件下尺寸参数小范围变化对拓扑结构微弱影响为切入点,通过拓扑结构参数化缩放和刚度-质量元模型构建,形成并联机构尺寸-拓扑同步高效设计流程。以典型3-P-RS并联机构为例开展算例验证与对比分析,结果表明,相同质量条件下,所提设计方法比尺寸设计方法得到的各向刚度更高,即拓扑优化使RS连杆的材料分布更加合理。     

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。