运动解耦且大工作空间三平移机构拓扑设计

根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计方法和运动解耦设计原理,提出一个运动解耦性优异的单回路三平移子并联机构;设计一类4个具有正向位置符号化、部分运动解耦性且具有较大工作空间的三平移(3T)并联机构;对这类机构进行拓扑特性分析,得到相同的方位特征集(POC)、自由度(DOF)、耦合度(κ)、运动解耦性等主要拓扑特性;对其中一个机构进行运动学、动力学性能分析。根据基于拓扑特征运动学建模原理,求出其符号化位置正反解,以及速度、加速度曲线;基于推导出的位置逆解公式,分析机构的奇异位形及工作空间;根据基于序单开链的虚功原理,进行其动力学建模与分析,求解出机构的驱动力。     

低耦合度半对称三平移并联机构拓扑设计与运动学分析

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,提出一种三自由度3Pa+2RSS并联机构,并对该机构的方位特征集、自由度、耦合度等主要拓扑特征进行分析计算,证明分析了其耦合度κ=1;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,并应用一维搜索方法求解了该并联机构的位置正解;导出机构位置逆解的公式,并据此分析计算了该机构奇异发生的条件;在自由度、输出和运动学分析不变的前提下,为了增大工作空间,将两条RSS支链替换为RUU支链,分析求解了机构工作空间和工作空间内部的奇异性特征。结果表明:该机构工作空间形状规则,且内部的无奇异工作空间较大。     

1T2R并联机构拓扑降耦设计与运动性能分析

根据基于方位特征（POC）方程的并联机构拓扑结构设计理论与方法,设计了一种能实现一平移两转动（1T2R）的并联机构,分析了该机构的方位特征（POC）、自由度（DOF）及耦合度（κ）等主要拓扑特性。由于该机构仅含1个耦合度κ=1的子运动链（SKC）,得不到符号式位置正解,为此对其进行拓扑降耦设计,得到了零耦合度（κ=0）、具有符号式位置正解、但POC/DOF保持不变的1T2R并联机构,并推导出其符号式位置正解和位置反解,基于雅可比矩阵对机构的奇异性进行了分析,基于符号式位置正解对机构的工作空间进行了计算分析。基于符号式位置正解的工作空间计算方法具有无需预估工作空间范围、计算量少、工作空间边界计算精确等优点。     

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。     

正解符号化且运动解耦的2T1R并联机构拓扑

基于方位特征（POC）方程的并联机构设计理论与方法,设计了一种全部由低副组成、具有位置正解符号化且部分运动解耦的两平移一转动（2T1R）并联机构,并对机构的主要拓扑特征（POC、自由度、耦合度、运动解耦性）进行分析与计算;基于拓扑特征运动学建模原理,导出机构符号式位置正解和反解;同时,由位置反解分析了机构奇异性,基于符号式位置正解求解了机构工作空间;根据基于虚功原理的序单开链法,对该机构动力学性能进行分析,计算得施加在3个驱动副上的驱动力;最后,对该机构应用于无人机操作及其安全着陆的动作原理进行了概念设计阐述。     

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.     

3-SPR并联机构运动学分析

针对一种3-SPR并联平台机构,依据机构的数学模型建立了机构的位置逆解模型,在此基础上推导出各支链的速度映射模型,通过算例和运动学仿真软件CosmosMotion的仿真结果对比分析验证了该速度模型正确有效,并通过利用SolidWorks软件进行虚拟机构的建模,对其工作空间进行仿真,得到机构工作空间的几何形状。     

非对称三平移并联机构的运动条件设计

在分析三平移并联机构结构组成、运动输出特点的基础上,用螺旋理论的方法研究了并联机构实现三平移的必要和充分条件,根据实现三平移的运动条件及机构支路的结构特点,设计了一种新型非对称的三平移并联机构。该机构具有良好的运动解耦性、易控制、加工简单等特点,该研究亦为三平移并联机构的分析与综合打下了基础。     

SCARA并联机构拓扑分析与其低耦合度机型设计

根据基于方位特征(Position and orientation characteristics,POC)的并联机构拓扑结构设计理论与方法,首先,对已提出的一类7个具有较好实用价值的SCARA并联机构,进行了拓扑结构分析,揭示了其POC集、自由度(含驱动副选取)、过约束数、耦合度以及输入-输出运动解耦性等5个最主要的拓扑特征,且发现这些机构的耦合度均较大,为2,表明其运动学正解和动力学求解十分复杂;继而基于机构拓扑结构降耦原理,又对κ=2的这7个机构进行了拓扑结构降耦优化,得到了低耦合度(κ=1),而机构POC、自由度(Degree of freedom,DOF)等保持不变的实现SCARA运动的14个新机型,不仅丰富了实现SCARA运动的4-DOF三平移一转动机型库,而且降低了这些机构的运动学和动力学代数求解难度,而其数值解可用一维搜索法方便求得,从而为这一类SCARA并联机构的运动学和动力学分析、设计及应用提供了理论基础。     

新型4自由度并联机构的运动学建模与分析

基于并联机器人机构的运动输出理论，考虑结构的对称性和支链的可重组性，构造出一种新型的具有三平移一转动的4自由度并联机器人机构。运用Denavit—Hartenberg表示方法建立机构位移反解模型并进行了数值验算。通过分析反解模型，找出影响机构可达工作空间的因素。引入蒙特卡罗方法思想，提出一种定姿态三维网格搜索方法来得到工作空间，利用Matlab软件编程，以图解形式描绘定姿态下的工作空间容积及工作空间与姿态角的变化态势，并对其进行了分析。     

零耦合度且部分解耦的3T1R并联机构设计与运动分析

零耦合度(κ=0)且运动解耦的三平移一转动(3T1R)并联操作手机构,不仅其运动学和动力学分析简单且能得到解析解,实时控制也较容易。根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论和冗余支链消除奇异位置原理,设计了一种含冗余支链的3T1R并联操作手机构,对其进行拓扑结构分析,主要包括POC集、自由度、运动解耦性以及耦合度分析,表明其耦合度为零且具有部分运动解耦性;根据提出的基于序单开链法的运动学建模原理,方便地求解出机构的位置正解解析解;基于导出的位置逆解公式,分析了机构的工作空间、转动能力及其奇异性条件;推导出机构动平台的速度、加速度变化规律。     

具有解析式位置正解的2T1R并联机构运动性能分析

求解具有解析式位置正解且部分运动解耦的并联机构,有利于后续的误差分析、动力学分析、运动轨迹规划与控制等。基于方位特征方程(POC)的并联机构设计理论与方法,设计了两种具有解析式位置正解且部分运动解耦的2T1R并联机构,并对这两种机构进行了方位特征、自由度及耦合度等主要拓扑性能分析;提出基于拓扑特征的运动学建模与求解方法,并据此求解了两种机构的解析式位置正解;基于导出的位置反解,分析了两种机构工作空间、奇异位形、动平台的速度与加速度变化规律。最后比较了两种机构的运动性能,选择了优选机型。为优选机型的动力学分析与样机研制提供了理论基础。     

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。     

半对称三平移Delta-CU并联机构运动误差分析与标定

对提出的一种半对称三平移Delta-CU并联机器人机构进行误差建模和实验分析。在规划执行末端运动轨迹的基础上,采用外部直接标定和修正系统输入的方法对机构的运动学误差进行补偿。在外部直接标定的过程中,为降低系数矩阵中的随机测量误差对执行末端坐标精度的影响,利用整体最小二乘法求解坐标变换参数;以误差数据为样本,通过模糊神经网络模型进行训练,并将训练好的模糊神经网络模型用于Delta-CU并联机器人机构的误差值预测。实验表明,模糊神经网络模型能够对Delta-CU并联机器人机构误差进行精准的预测,有利于提高Delta-CU并联机器人机构的补偿精度,可为Delta-CU并联机器人机构误差补偿提供参照。补偿后其绝对位置精度由1.187 mm提高到0.4 mm,重复位置精度由0.037 mm提高到0.018 mm。     

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。     

零耦合度部分运动解耦三平移并联机构刚度建模与分析

(RPa∥3R) 2R+RPa机构是基于方位特征(POC)方程并联机构拓扑综合理论的一种非对称并联机构,其耦合度为零,且具有部分运动解耦性。本文对该机构进行刚度建模和特性分析。首先,对该机构进行拓扑结构描述,基于虚拟弹簧法对机构支链进行刚度建模,给出支链的静力学方程,并求解机构的刚度矩阵;其次,给出机构在工作空间中的整体刚度分布,并分别对x、y、z轴方向的扭转、线性刚度进行分析;进一步对机构进行有限元分析,并与虚拟弹簧法所得的机构变形结果进行对比,验证刚度结果的正确性;最后,对比非对称的(RPa∥3R) 2R+RPa机构与对称Delta机构在不同截面下的刚度特性,结果表明,(RPa∥3R) 2R+RPa机构的刚度大于Delta机构。