空间转动三自由度并联微调机构设计与运动学分析

根据并联机器人机构综合理论,设计了一种能实现重载情况下空间转动的三自由度并联微调机构,由运动平台、固定平台、驱动支链及从动支链组成,具有平衡稳定、承载能力强、位置精度高的特点.通过对该机构的运动学研究,求出其运动学位置逆解、正解及速度解.借助Matlab软件进行了运动学仿真分析,并提供了该并联机构在盾构管片拼装机上的应用实例,证明该并联机构可实现重载情况下空间微调精确定位.     

一种微型3—PSP并联机构的运动学、雅克比矩阵及运动奇异性分析

为实现在狭小空间内对激光光束角度进行快速、精准调节的目标,提出一种微型3—PSP空间三自由度并联机构。该并联机构共有三条运动支链,每条支链均有由一个S副和一个P副嵌套而成的混合副。首先应用封闭环矢量法建立并联机构运动学模型,并求得机构运动学逆解;然后根据并联机构的几何特性,求解运动学正解;最后对并联机构的速度和加速度进行分析,分别得到速度和加速度的雅克比矩阵,并在此基础上对机构运动的奇异性进行分析。     

无寄生运动3-DOF 2T1R并联机构拓扑设计与分析

为充分研究少自由度并联机构所具备优势,拓宽其应用领域,设计并研究一种含冗余支链且无寄生运动三自由度两平移一转动（2T1R）并联机构,完成运动学和动力学分析。基于方位特征集（POC）的拓扑机构学理论方法,设计了一种含冗余支链且无寄生运动的两平移一转动并联机构,并进行拓扑分析,结果表明：该机构还具有部分运动解耦特性;根据基于拓扑特征运动学的建模方法,求得机构位置正反符号解;又基于位置反解分析了机构奇异性,基于位置正解给出了工作空间;基于虚功原理的序单开链法对机构进行动力学建模,求得了该机构移动副处的驱动力以及两个子运动链(SKC)连接处的支反力;概念设计了该机构的一种应用场景。     

四自由度混联机器人运动学分析与仿真

根据串联机构和并联机构的特点,以两平移一转动并联机构为主体,设计了一种四自由度混联机器人,该机器人动平台自由度为三平移和一转动,同时,在并联机构动平台和虚拟固定平台间增加一辅助支链,该辅助支链具有独立的转动自由度。与具有同样运动特性的并联机构相比,该机器人的工作空间大,转动灵活。分析了该机器人的运动学特征,求出其位置正反解析解,利用运动影响系数对其速度和加速度进行了系统研究,并进行了动态仿真验证。     

空间3-PUS-UP并联机构运动灵巧性与刚度性能研究

以含中间支链的3自由度3-PUS-UP并联机构为研究对象,充分考虑驱动支链、串联约束支链及末端平台伴随运动的影响,利用封闭矢量法求解位置逆解,建立并联驱动部分的雅可比矩阵;采用D-H法建立中间UP串联约束支链的雅可比矩阵。结合驱动方程和约束方程的关系,构建了3-PUS-UP并联机构完整的雅可比矩阵,建立该机构的运动学模型,通过仿真验证了雅可比矩阵的正确性;引入运动灵巧性和机构刚度性能指标,并绘制运动灵巧性和机构刚度在工作空间中的分布图谱,研究机构的运动灵巧性和机构刚度在整个工作空间的分布情况,建立了该机构基于运动学灵巧性的最优工作区域。研究表明,该3-PUS-UP并联机构具有良好的运动灵巧性与刚度性能。     

SCARA并联机构刚度和动力学分析

阐述了一种由2条RSS支链和2条R(SRS)2R支链构成,可实现SCARA运动的新型四自由度高速并联机器人机构。首先,采用方位特征理论（POC）分析了该机构的拓扑结构特征,用矢量法求解了位置反解;其次,运用虚拟弹簧法建立了支链的刚度模型,并求解了支链的静力学方程;再次,利用旋量法得到支链中虚拟关节变形到末端变形的微分映射,从而求得机构的笛卡尔刚度矩阵,根据机构的转动和移动刚度性能指标,分别分析了机构在不同工作平面的刚度特性。最后,推导了机构的主动臂、从动臂和动平台速度、加速度方程,并运用虚功原理建立了机构的动力学模型,通过ADAMS三维模型仿真验证了动力学模型的正确性,为该机构的进一步研究及实际应用奠定了理论基础。     

轮-腿复合移动机器人RUPU-RUPR球面并联腿机构动力学研究

提出了一种二自由度球面并联腿机构,并以该机构为基础,设计了一种结构简单且越障性能良好的轮-腿复合移动机器人。阐述了该机构的组成,采用解析几何法和闭环约束方程构建了RUPU-RUPR球面并联腿机构的位置逆解、工作空间、速度和加速度模型,并验证了其准确性。运用牛顿-欧拉法建立了RUPU-RUPR球面并联腿机构的动力学模型。在给定动平台的运动规律和外力后,通过动力学方程求解出RUPR驱动支链驱动力,RUPU驱动支链驱动力矩以及RUPR驱动支链约束力矩,并给出动力学模型仿真解。结果表明该机构具有良好的工作性能。     

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%。     

基于螺旋理论对水稻插秧机2UPR/SPS并联机构的自由度分析

【目的】针对水稻插秧机的作业效率,课题组提出一种并联机构来提高水稻插秧机的作业稳定性和可重复性。【方法】建立2UPR/SPS并联机构,通过螺旋理论对该机构的每条支链的自由度类型进行了分析,由于动平台两个R副和一个S副的布置,对每条支链建立了坐标系,建立了每个支链的运动螺旋系,根据互易原理,分析了每个支链的约束螺旋系。根据每条支链的约束螺旋系,列出并联机构的约束螺旋系,再进行互易,最终得到动平台的运动螺旋系。【结果】该并联机构具有两个自由度,可实现动平台在z轴方向的移动,在移动的过程中可实现绕着z轴旋转,符合水稻插秧的动作要求。【结论】由于该并联机构具有良好的稳定性和可重复性,将其应用于水稻插秧机,将有利于提高水稻插秧机的作业效率和稳定性,而且对此并联机构的分析为今后水稻插秧机结构的研究奠定了一定的基础。     

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。     

基座运动对并联调整机构动力学性能的影响

以上海65 m射电望远镜六自由度并联调整机构为研究对象,研究基座运动对并联调整机构动力学性能的影响。首先阐述了并联调整机构的构型与位姿状态;然后分析了基座运动对动平台和驱动分支受力的影响,计算了基座运动引起的动平台和驱动分支惯性力和惯性力矩的变化,并分析计算了基座运动过程中引起的重力矢量方向的变化;进而采用具有高实时性特点的Kane方法分别建立了基座固定和基座运动两种情况下并联调整机构的动力学方程,最后分别采用Matlab和ADAMS软件仿真分析了基座运动对机构动力学性能的影响。仿真结果验证了所建动力学模型的正确性,同时也发现基座运动对此类机械系统动力学性能影响较为明显,在结构强度校核和控制系统参数设定时应加以考虑,以提高控制系统的准确性和结构强度的可靠性。     

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。     

基于方位特征方程的2T2R并联机构拓扑综合与分类

基于方位特征(POC)集方程的并联机构型综合方法,给出了可实现两平移两转动(2T2R)并联机构(parallel mechanism,PM)的型综合过程和方法,包括基于拓扑等效替代的复杂支路综合方法、支路几何装配条件的判定方法及驱动副的判定方法等,得到了15种2T2R构型,其中10种为新构型;并且,对这些构型按支路结构和动平台数目进行分类,对它们进行拓扑特征分析,得到其所包含的AKC(Assure运动链)(包括独立回路数、耦合度数)、自由度类型和运动解耦性。本文综合出的构型结构较为简单,易于装配,具有一定的实用价值。     

面向计算机辅助分析的并联机构符号描述方法

并联机构拓扑信息的符号描述方法对于计算机辅助机构拓扑结构分析和机构型综合等研究具有重要意义。基于并联机构的SOC组成原理,遵循机构学领域符号表达习惯,提出了具有代数运算功能的并联机构符号描述系统,将并联机构拓扑结构表示为一种符号多项式,其中每一项代表一条支路;分析了运动副方位关系的传递性,提出了方位关系组的概念,给出了运动副方位关系的符号描述方法。在此基础上给出了POC集的符号推导方法,将支路的POC集表示为所含运动副POC集的加法运算,将整个并联机构的POC集表示为各支路POC集的乘法运算。该符号描述系统在一定程度上具有符号语言的代数特征,便于进行并联机构拓扑不变量的自动分析,为计算机辅助并联机构型综合提供了理论基础和有效工具。     

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。     

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。     

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。     

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。     

含折展平台的多模式移动并联机构设计与运动特性分析

为使移动机器人能更好地适应丘陵山地等农业环境,以具有较大折展特性的8R机构为平台,构造一种含折展平台的多模式移动并联机构,作为可用于农业环境作业的移动机器人搭载平台,通过分析平台折展过程中折展率变化规律,确定最优折展平台参数.对因折展产生的多种运动模式,通过螺旋理论和图论法绘制机构的旋量约束拓扑图,以此求出机构各运动模...     

悬挂式割草机折叠机构优化与液压仿形系统研究

为了增强割草机在复杂地形条件下的作业能力,开展了割草机折叠机构优化与液压仿形系统研究,使折叠机构具备±30°的摆动范围,液压仿形系统可顺利通过250mm的凸起路面。通过对折叠机构不同工况的姿态分析以及运动学、有限元分析,试制出适用于幅宽3.2m割草机的折叠机构,通过野外试验验证了折叠机构具备±30°的摆动范围。研制液压仿形系统,解决折叠机构刚性连接的问题,通过ADAMS-AMESim联合仿真技术验证液压仿形方案的可行性,结果表明液压仿形系统通过250mm波形路面过程中,蓄能器气囊体积变化范围为0.4～0.7L,切割器接地压力变化范围为1700～2500N。将试制的仿形系统搭载在折叠机构上,在安徽省芜湖市三山区进行田间试验,结果表明：样机能顺利完成割草机折叠动作,满足各种工况下的力学和强度要求;切割器具备了±30°以内的摆动范围;搭载仿形系统的试验样机可以顺利通过250mm高度的波形凸起路面,提高了割草机在丘陵山区作业的地形适应能力,可为悬挂式割草机折叠机构的设计、割草机接地仿形技术提供参考。