2T1R弱耦合并联机构的运动学和奇异性分析

提出了一种弱耦合空间三自由度并联机构,机构动平台具有二维移动和一维转动自由度,3个主动副均位于静平台上.分析了其位置的正、逆解析解,建立了机构驱动关节速度和动平台速度之间的矩阵映射关系,并对位置和速度的逆解进行了仿真.根据机构奇异性分类,讨论了各种奇异位形存在的条件.     

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。     

2RRUR—2RSS并联机构结构特性与运动学分析

基于方位特征集设计理论和方法,设计了一种全由转动副组成的、动平台能实现空间三平移一转动的无过约束并联机器人机构,对其进行了拓扑结构特性分析;导出了机构位置逆解方程和雅可比矩阵,通过算例和Pro/E的仿真结果,验证了模型的正确性;并进一步对该并联机构作业空间的几何性质、转动灵活性及奇异轨迹进行了分析。分析表明,该机构具有几何形状规则的作业空间及较好的运动灵活性,但在工作空间内具有发生位形奇异的可能,因此,在运动过程中应当避开特殊运动位置以避免奇异位形的发生。     

三平移并联机构拓扑设计与运动学分析

基于子运动链生成子工作空间和基于叠加原理的并联机构拓扑设计方法,设计一种具有符号位置正解且运动解耦的纯三平移并联机构,并对该机构进行拓扑分析;运用基于拓扑特征的机构位置分析方法求解该机构位置正逆解并进行验算;基于SKC单元的奇异分析方法对该并联机构的奇异位形进行分析,并求解该并联机构规则无奇异的长方体工作空间。研究结果为一类具有规则工作空间并联机构的设计提供了理论基础。     

低耦合度且部分解耦的3T1R并联机构设计与分析

三平移一转动(3T1R)并联机构具有拓扑结构复杂、耦合度高、输入-输出运动不解耦,且易出现奇异位置等问题。根据基于方位特征(Position and orientation characteristic,POC)方程的并联机构拓扑设计理论和和冗余支链消除奇异位置原理,首先,提出了一种含冗余支链的低耦合度、运动解耦、大转动能力的3T1R并联操作手新机构;其次,对其进行拓扑结构分析,主要包括POC集、自由度、耦合度以及运动解耦性分析;再次,建立了基于序单开链法运动学建模原理的位置正解求解模型,并应用一维搜素方法求解了该并联机构的位置正解;基于导出的机构位置逆解,分析了机构的工作空间、转动能力及奇异性条件;阐明了冗余支链可避免奇异位置,并能增加机构刚度;最后,给出了机构动平台的速度、加速度变化规律。本文为该操作手的机械设计、动力学分析、样机研制奠定了理论基础。     

空间转动3-SPS-1-S型并联机构奇异位形研究

奇异性是机构的固有性质,奇异位形分析对并联机构的轨迹规划和控制具有重要的意义.研究一种空间转动三自由度3-S(P)S-1-S型并联机构的奇异位形,构建了该并联机构的运动学模型,建立了机构位置逆解与速度映射解析方程,并求出了机构Jacobian矩阵;提出该机构奇异位形的判别准则,并引入了可操纵度这一运动性能评价指标进行奇异性分析.分析结果表明,该机构在指定任务空间具有良好的可操纵性与运动性能,但在工作空间内具有发生位形奇异的可能,在运动过程中应当避开特殊运动位置以避免奇异位形的发生.     

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.     

具有耦合分支的两转动两移动并联机构分析与优化

提出了具有耦合分支的两转动两移动并联机构。基于李群理论分析了机构自由度,该机构动平台能输出两个转动运动和两个移动运动;采用闭环矢量法对机构进行了位置分析,求得位置反解;通过速度分析得到机构的雅可比矩阵,在雅可比矩阵基础上对机构的奇异位形进行了分析;采用虚功原理建立了机构的刚度模型,并进行了刚度性能分析;为消除内部奇异产生的刚度退化,在机构上增加了冗余驱动分支,并对添加冗余驱动分支前后机构的刚度、工作空间等性能进行了对比分析。以工作空间内刚度平均值为目标对冗余驱动机构进行了尺度优化设计,结果表明,优化后的冗余驱动机构的刚度性能得到明显提升。     

无寄生运动非对称空间2T1R并联机构设计与运动学分析

根据基于方位特征方程的并联机构设计理论与方法,设计了一种能实现空间两平移一转动(2T1R)且无寄生运动的非对称并联机构(RPa‖3R)-R+RSS。对该机构进行了动平台方位特征(POC)、自由度(DOF)以及耦合度κ计算的拓扑特性分析,表明机构为零耦合度且具有部分运动解耦性;运用序单开链法的运动学原理,推导了求解机构位置正反解的解析式;基于位置反解,分析了机构的位置工作空间形状与大小及其转动能力;探讨了机构发生奇异位形的条件;对机构的速度和加速度进行了计算及仿真分析。结果表明:该机构运动学分析简单,转动能力强,动力学性能较好。     

零耦合度空间2T1R并联机构运动学与刚度建模分析

根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论与方法,提出一种零耦合度、含1条冗余支链的三自由度两平移一转动(2T1R)并联机构,并对该机构进行拓扑分析。结果表明：该机构具有符号式位置正解和部分运动解耦特性,其被动冗余支链能避免奇异位置,改善刚度;因机构耦合度为零,易求解出其符号式位置正解,并分析了机构可能产生的3种奇异位置;运用虚拟弹簧法建立了每条支链的刚度模型并进行求解,给出并分析了机构笛卡尔刚度矩阵中扭转刚度和线性刚度的变化趋势,讨论了冗余支链对整体刚度性能的影响,验证了冗余支链可使机构整体刚度性能提升约22%。     

12-6台体型Stewart冗余并联机构正向运动学研究

针对六自由度并联机构的正向运动学无全解析解或全解析解推导困难、不便于程式化、存在多解选择的现状,提出一种含混合单开链支路的12-6台体型Stewart冗余并联机构,推导了适用于实时反馈控制的正向运动学全解析算法。通过单开链的方位特征集运算及路线分解,对机构的拓扑构型进行了剖析,并解算了耦合度,为运动学方程的构造及同构处理指明了方向。基于动平台上4个共面特征点的拓扑关系,对15个二次相容方程进行同构运算,推导了12个一次多项式,得到正向位姿方程的全解析解,具有形式简洁、对称,且根能够唯一确定的特点。根据速度基点法,建立特征点速度之间的矢量关系,解决了机构的速度正解问题。结合杆长协调方程及速度映射方程,并运用Jacobian代数法解析出机构的3组奇异曲面方程。实验结果表明,位姿正解的计算值与测量值完全一致,速度正解的最大相对误差为0.08%,它们的效率指标值分别为0.21和0.32,均满足实时性要求。     

空间4—SPS/CU并联机构运动学分析

提出了一种能实现空间三维转动和沿Z轴移动的机构模型——空间4-SPS/CU并联机器人机构模型,其中SPS支链为驱动支链,CU为恰约束从动支链。采用螺旋理论分析了4-SPS/CU并联机构实现空间三转动一移动的机构学原理,计算了自由度,给出了位置正解和反解的方法,导出了Jacobian矩阵,分析了速度、加速度性能、奇异位形与工作空间,为该并联机构的实际应用提供了理论依据。     

三关节位姿约束单驱动非圆齿轮五杆手指机构研究

为了克服传统多杆手指机构的不足并且满足更多仿生手指的应用要求,本文提出一种基于三关节位姿约束的单驱动非圆齿轮五杆手指机构设计方法。根据手指实际尺寸以及运动位姿,建立n位姿点约束条件,采用运动学映射理论以及矩阵奇异值分解法求解了满足给定约束条件的铰链点曲线,进一步根据两个驱动输入杆转角关系设计满足位姿点要求的非圆齿轮副,并推导单驱动非圆齿轮五杆手指机构的IO方程。在此基础上,以三关节的5位姿约束条件为例,并根据杆长、误差、铰链点选取范围、非圆齿轮传动等其他约束条件,确立铰链点A和B的可行曲线解域,并最终得到满足全部约束条件的单驱动非圆齿轮五杆手指机构参数,设计了手指机构样机并进行相关试验。该试验样机表明本文提出的设计方法是正确和有效的。     

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。     

Tripod并联机器人运动学分析与样机实验

对Tripod并联机器人进行了运动学分析,计算了机构自由度,采用矢量代数法和数值法求出了运动学位置逆解和位置正解。利用Jacobian矩阵的条件数对其进行了运动性能评价,分析了其可达工作空间。计算结果表明该机构具有优越的各向同性性能和广阔的可达工作空间。通过ADAMS和Matlab运动学仿真软件对正解和逆解分别进行了验证。仿真实验结果证明了所建模型的正确性。并对Tripod并联机器人样机进行了精确定位实验、直线插补实验和圆弧插补实验,实验证明机构所建数学模型的正确性。     

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。     

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。     

含双平行四边形结构支链的SCARA并联机构研究

提出了一种含双平行四边形结构支链的新型SCARA并联机构,其包括4条相同支链,具有结构紧凑、承载力和刚度高的优点。首先,基于李群理论对机构的拓扑结构及其自由度进行阐述。其次,构建闭环矢量方程,推导出位置正/逆解,并通过2个数值算例验证位置解的正确性。通过对闭环矢量方程关于时间求导,得到机构的雅可比矩阵,由此建立输入角速度与末端输出速度之间、输入角加速度与末端输出加速度之间的映射关系,并对其进行数值仿真分析。然后,基于位置逆解,运用极限边界搜索法求解机构的工作空间,并绘制相应图谱加以分析。为明确机构动平台的转动性能,进一步研究不同工作平面下的动平台最大、最小转动角的空间分布图谱。在此基础上,借助特征因子构造量纲齐次雅可比矩阵,并利用条件数和可操作度两种方法分析机构的运动传递性能。基于直接和间接雅可比矩阵进一步对机构的3类奇异位置进行分析,明确奇异发生的条件。最后,借助Matlab与ADAMS软件开展仿真实验,验证了理论分析和设计结果的正确性与可行性。     

基于拓扑降耦的3T1R并联机构设计与运动学特性分析

根据基于方位特征方程（POC）的并联机构拓扑结构设计理论及方法,设计了一种低耦合度三平移一转动（3T1R）并联机构,对该机构进行了拓扑结构分析,包括方位特征、自由度及耦合度计算,该机构具有部分运动解耦性。但耦合度k=1只能求得位置正解的数值解,不利于后续的尺度优化、误差分析及动力学分析,为此对其进行拓扑降耦优化设计,即在基本功能（DOF、POC）以及部分运动解耦性不变的情况下,使其耦合度k=0并具有符号式位置正解。运用基于拓扑特征的运动学建模原理求解该优化机构的符号式位置正解,基于导出的雅可比矩阵进一步分析了机构发生奇异的条件,分别基于位置逆解和位置正解求解机构的工作空间,研究表明,基于位置正解的机构工作空间分析具有计算过程简单、计算精确、计算量少等优点。本研究为该机构后续的尺度优化、误差分析及动力学分析奠定了基础。