直线驱动型并联机器人工作空间分析与优化

与旋转驱动型相比,直线驱动并联机器人具有更大的工作空间,但存在工作空间求解较复杂、精度不高和优化目标不合理的问题。针对上述问题,根据并联机器人的结构和运动学模型,提出了一种极坐标变步长迭代搜索法求解并联机器人工作空间,分析各结构参数变化对工作空间的形状、尺寸、对称性的影响趋势。提出一种综合机器人灵巧度与工作空间利用率的全局混合性能指标,并以此为目标函数建立了结构参数优化的数学模型,利用粒子群算法对不同工况下机器人尺寸参数进行优化,得到基于机器人操作性能和工作空间利用率的最优参数,对不同权重下优化得到的参数进行仿真,验证了目标函数的正确性和有效性。通过激光跟踪仪测出的实际工作空间与理论工作空间模型进行对比,验证了工作空间理论模型的正确性,为后续的尺度综合研究打下基础。     

直线驱动型并联机器人误差模型与灵敏度分析

为提高直线驱动型并联机器人动平台末端执行器位置精度,根据并联机构结构和运动学模型,对影响末端位置精度的各项误差源进行了分析,利用解析法建立动平台末端操作空间与关节空间之间的误差映射模型;在灵敏度误差模型的基础上,依据全域灵敏度评价指标,提出了一种误差源筛选方案,筛选影响位置精度的主要误差源,利用蒙特卡洛法随机模拟并联机器人中各零部件的尺寸误差、驱动误差和装配误差,得知筛选前后动平台位置误差基本一致,验证了评价指标的正确性。以激光跟踪仪为测量工具在任务空间中取点测量,对筛选后的主要误差源进行辨识,修正并联机构的正向运动学模型后,并联机构末端位置精度改善显著,验证了误差源筛选方案的有效性和可行性,减轻了误差参数辨识的复杂程度和计算量,对结构较复杂的机构误差补偿具有一定的指导意义。     

直线驱动型并联机器人反向动力学分析与验证

以直线驱动型并联机器人为研究对象,根据其几何结构模型,利用矢量法建立并联机器人的运动学模型,并得到其运动学逆解、速度和加速度模型。利用虚功原理建立反向动力学模型,分析机械系统中各个运动部件在虚位移下对应的广义力,推导出其动力学方程,并确定其影响因素。给定动平台末端一个已知轨迹,反解出各个电机的力矩,分析得出惯性项是力矩的最大影响因素。通过ADAMS与Matlab联合仿真和负载特性试验,验证了动力学理论模型的正确性,为并联机器人的尺寸综合与轨迹规划奠定了理论基础,也为同类并联机器人控制器的研究与开发提供了理论支撑。     

基于遗传算法的冗余任务并联机器人驱动优化

以六棱锥式并联机器人为研究对象,采用拉格朗日法建立机构动力学模型,结合直线电动机设计原理,获得驱动电流与任务轨迹之间变化的对应关系。基于遗传算法以瞬时动能最小为优化目标对电动机驱动力进行优化,优化后能耗较非冗余任务能耗降低了47.6%。进行了样机冗余任务轨迹实验,实验结果表明电流变化与仿真结果吻合,验证了优化方法的可行性和合理性。     

Tripod并联机器人工作空间完全解析与实验验证

针对Tripod并联机器人工作空间一般用数值搜索方法研究,难以给出边界曲面准确表达的问题,提出一种曲面扫略分析与机械结构形位分析结合的方法来解析Tripod并联机器人的工作空间。以正逆解的算法为基础,得到并联机器人各单开链扫略空间范围及其包络曲面表达式,用三维软件布尔运算得出各支链公共的工作空间,在考虑虎克铰约束和杆件干涉的情况下,再依据机械结构形位分析得到机器人实际工作空间及边界曲面表达式,并对工作空间的奇异性进行了分析。通过三坐标测量仪器测出实际的工作空间与理论分析解析出来的空间进行对比来验证解析方法的正确性,从而为机器人机械结构参数设计和工作空间计算奠定基础。     

直线超声电动机驱动并联平台建模与控制

为实现直线超声电动机驱动的3-PRR并联平台的精确轨迹跟踪控制,对其进行了运动学和动力学建模,并设计了基于模型和轮廓误差的控制器。首先,根据并联平台的闭链约束条件,对并联平台进行了运动学分析。在此基础上,对并联平台的各部件速度和加速度进行了推导,并获得了相应的雅可比矩阵,随后基于虚功原理建立了平台的动力学模型。最后,由切线近似法推导了平面三自由度轮廓误差的转化方法,并设计了基于模型和轮廓误差的控制器。实验结果表明,基于动力学模型和轮廓误差的控制器可将X和Y轴的轨迹跟踪误差控制在15μm以内,提高了动平台的轨迹跟踪精度。     

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。     

4-SPS/PPU型并联机构工作空间与尺度分析

以4-SPS并联机构为研究对象,采用加约束从动支链的构型演变方法得到一类2T2R（两个移动和两个转动）4自由度并联机构。根据速度Jacobian矩阵分析了机构的奇异位形,建立了4-SPxyz S/PxPzUxz 并联机构的工作空间求解的约束条件,得到了机构的位置和姿态工作空间,并提出利用“点集”近似计算位置工作空间大小的方法。引入敏感度概念,利用数值法解得了位置工作空间大小和姿态工作空间范围与机构尺度参数之间的关系,为机构尺度参数的选取提供了依据。     

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〖CD*2〗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〖CD*2〗RRR机构和3〖CD*2〗RRR机构的驱动力,比较结果表明4〖CD*2〗RRR的驱动力峰值有所下降。最后,基于功率优化,对4〖CD*2〗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。     

Delta型并联运动激光切割机床的工作空间分析

提出了一种基于Delta并联机构的新型激光切割机床。建立了三自由度Delta并联机构的反解方程和工作空间求解模型,分析了各支链子工作空间的几何形状及其内部出现空洞的条件,从而将工作空间解析归结为可达工作空间外部边界与内部空洞边界求解。采用几何分析与数值迭代相结合的方法,探索了工作空间每一区域的边界,得到了机构工作空间的完整描述。整个求解过程直观、简明,计算速度快。     

3自由度空间并联机器人机构设计与分

提出了一种新型3自由度空间并联机器人机构,机构动平台具有两个移动和一个转动自由度.基于螺旋理论对机构的运动输出特性和自由度进行了分析与计算,推导出机构的位置和速度解的解析表达式,讨论了机构的奇异性和灵巧性.由于映射输出一输入速度矢量关系的Jacobian矩阵为单位阵,所以此机构为无奇异完全各向同性并联机构,故该机构具有良好的运动、力传递性能和潜在的应用前景.     

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。     

新型4自由度并联机构的工作空间分析及优化研究

以一种新型4自由度并联机构为基础进行研究,得到该机构的位置反解,给出考虑移动副杆长限制、球副转角范围、奇异等约束条件时的反解选取准则,推导出每种约束与机构参数间关系,通过三维搜索得到该机构的工作空间三维图和投影图。以工作空间最大为目标函数,给出机构的结构参数与工作空间的关系曲线,为定量分析影响效果提供解决途径。最终利用Isight软件得到机构的一组最优机构参数,达到优化机构参数的目的,为该机构的理论研究和应用提供了重要的依据。     

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。     

大空间运动3-RRRU并联机器人运动学标定与误差分析

并联机器人具有高速、高刚度和大负载等明显优势,被广泛应用到农业和工业领域,但多关节导致该类机器人控制精度不高。针对大空间运动3-RRRU并联机器人的运动学建模和误差标定方法展开了系统、深入研究。综合应用DH法和空间矢量法建立了机器人的运动学模型,在此基础上,借助偏微分理论推导并建立机器人的误差模型;应用激光跟踪仪进行不同轨迹下机器人的空间位置数据采集,对一般遗传算法进行改进,以等步距搜索策略实现主要遗传算子的优化,并通过全局数值寻优获取机器人的误差补偿数据,完成标定和补偿工作。实验表明：基于直线标定方式,补偿后直线轨迹跟踪误差控制在0.14～1.34mm,但不适用于曲线轨迹补偿,其实测补偿后的最大误差高达5.08mm。曲线轨迹标定精度高于直线轨迹标定,补偿后将直线和曲线两种路径下的最大误差分别降低至1.18mm和1.56mm。该标定方法自动化程度高,适用于含有大量关节并联机器人的误差标定工作。     

完全各向同性2T1R空间并联机器人机构型综合

提出了完全各向同性二移动一转动(2T1R)空间并联机器人机构型综合的系统方法.首先根据机构各分支预期功能的要求,基于互易螺旋理论确定出各分支的驱动螺旋、主动螺旋和可动非主动螺旋;再按照分支连接度的不同列举出机构的各分支运动链;最后根据机构各分支装配要求将动平台和静平台连接起来即可得到预期的机构,并得到大量新型机构.实例分析验证了型综合方法的正确性.由于所综合出的并联机器人机构的运动雅可比矩阵均为单位阵,因此这类机构具有良好的运动学和力传递性能.     

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。     

直线电机驱动六自由度并联机构动力学特性研究

直线电机驱动的六自由度并联机构可以实现高精度宽频带运动,在惯性单元校准、振动测试等领域具有广阔的应用前景。为了减小直线电机驱动对六自由度并联机构造成的幅值衰减问题,对机构进行动力学前馈控制分析。首先利用牛顿-欧拉法建立并联机构的动力学模型,简化动力学方程获得机构驱动力关系,在实验平台上进行实验,验证动力学模型准确性。利用传统运动学控制系统,结合动力学模型,设计一种动力学前馈控制方法,降低给定轨迹运动误差。实验结果表明,直线电机驱动的六自由度并联机构增加动力学前馈控制后,在沿X、Y、Z轴进行单自由度正弦运动时,运动误差分别下降55.5%、54.2%、59.8%。     

全解耦并联机构的运动学与工作空间分析

研究了一种改进型全解耦-平移两转动并联机构,导出了其运动学的正逆解解析式,并用Visual C＋＋6.0编程计算求得数值解,通过Surfacer软件得到并分析了位置工作空间形状及大小;与原机构在运动学正逆解数、解耦性与位置工作空间形状及大小、驱动等方面进行了比较,证实改进型机构比原机构具有更大、更健壮的位置工作空间且不易产生奇异位置.可使该类机型应用范围更广.     

空间刚柔耦合并联机器人动力学求解策略

针对空间刚柔耦合并联机器人在动力学方程求解过程中存在的违约问题,提出了一种基于瞬态刚体校正法的非线性动力学模型求解方法。利用自然坐标法和绝对节点坐标法构建该3-RRRU并联机器人的正动力学模型与逆动力学模型,考虑各支链柔性空间梁单元的剪切效应,并可描述其大范围非线性弹性变形。基于自然坐标法和刚性机构的运动学模型,分别提出2种动力学模型的瞬态刚体校正法,同时从系统能量等角度总结出获取该动力学系统稳定因果解的求解策略。仿真结果表明,动力学方程的求解精度为10-6,约束方程的相容误差为10-8,满足工程应用的要求,且有效地改善了动力学系统的综合收敛性能。通过圆形轨迹跟踪实验可知,与理想刚性模型的控制方法相比,基于逆动力学稳定因果解构建控制方法最大跟踪误差降低了0.372 mm,圆度误差降低了1.46 mm;各柔性杆上特征点处主应变测量值与理论计算值均处同一数量级,且具有相同的变化趋势,从而验证了该方法的有效性。