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。     

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。     

基于逆雅可比矩阵的三转动弱耦合并联机构构型综合

为获得承载能力大且容易控制的三转动并联机构,本文以逆雅可比矩阵中奇异向量的含义为切入点,将机构的运动耦合性与驱动力螺旋之间的空间几何关系建立联系,进而提出一种三转动弱耦合并联机构构型综合方法。首先,根据机构不同方向运动耦合性需求,构造逆雅可比矩阵,并以此推导各支链中驱动力螺旋需满足的空间几何条件;其次,根据驱动力螺旋与被动副运动螺旋之间的关系及约束螺旋与所有运动副运动螺旋之间的关系,得到支链中运动副的类型和布置条件,并对驱动副为机架副的支链进行了综合;进一步,制定了支链的选取和组合原则,基于上述原则,完成了三转动弱耦合并联机构构型综合;最后,通过对3个实例进行运动耦合性分析,验证了所提方法的正确性。     

冗余并联机构运动学性能分析与优化

研究了一种4自由度—虎克铰—移动副—球铰/转动副—移动副—虎克铰冗余并联机构的运动学性能评价指标和优化设计,建立了该并联机构的雅可比矩阵,得到了该机构的3个不同的运动学性能评价指标,即条件数、最小奇异值和可操作性,在此基础上,定义了评价不同位形下运动学综合性能的全局灵巧度系数指标,并分别研究了不同性能评价指标在并联机构工作空间内的分布规律。最后,基于全局灵巧度指标,利用遗传算法对冗余驱动并联机构的结构参数进行了优化设计。为该冗余并联机构的结构设计奠定了理论基础。     

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。     

运动分岔并联机构运动学性能分析

提出一种具有运动分岔特性的并联机构,利用螺旋理论分析了其自由度和运动分岔特性,结果表明当机构处于运动分岔点时,动平台拥有5个自由度,通过驱使不同驱动副,机构可以演变成具有不同运动分岔特性的构型,包括三移动一转动,两移动两转动。为实现两种构型合理切换,采用刚化驱动的方法,选取合理的驱动副。分析并联机构在不同构型下的运动学正反解,得出在两种构型下运动反解方程与正解方程的解析解,机构具有较好的运动解耦性,利用ADAMS验证了运动正反解的正确性。通过雅可比矩阵分析了机构的奇异位形,结果表明在合理的工作范围下两种运动模式均没有奇异位形。绘制了机构的工作空间。基于运动/力传递性能方法分析了机构性能指标,得到了工作空间内的性能分布图,结果显示两种构型都具有较好的运动/力传递特性,优质工作空间大。     

MATLAB雅可比矩阵的优化

本文介绍了雅可比矩阵的由来,以牛顿拉夫逊法解潮流计算为例来说明MATLAB强大的矩阵运算功能。     

6_PUS并联机构奇异判据推导与奇异性分析

根据6_PUS并联机构的力螺旋平衡方程,采用支链力分解方法推导了该机构的力雅可比矩阵,进而得到其运动雅可比矩阵.由运动雅可比矩阵得到了6_PUS并联机构发生奇异的条件,并以奇异条件为基础归纳了该机构二类奇异的几何特征.为了便于在全工作空间中研究机构的奇异位姿,提出了一种更能反映机构运行需求的奇异域概念,作为研究机构奇异位姿和避免奇异的基础,建立了奇异域的数学表达式.通过仿真研究获得了6_PUS并联机构在全工作空间内2类奇异域的分布,提出了避免机构进入奇异域和发生奇异的方法,为该机构的设计提供了参考.     

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。     

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。     

基于改进蚁群算法的3-PPR并联机构位置正解研究

针对3-PPR并联机构位置正解问题,运用螺旋理论计算其自由度,并分析其运动特性,同时通过解析法构建该并联机构的完整运动学逆解。将并联机构运动学正解问题的求解转化为对目标函数优化问题的求解,并基于此建立该并联机构正解的目标函数优化模型。通过对基本蚁群算法进行有效的改进,构建了可用于求解连续优化问题的改进蚁群算法。运用该算法求解3-PPR并联机构的运动学正解并进行Matlab仿真分析,对比传统数值方法和改进蚁群算法,证实该算法具有良好的全局寻优能力,并能避免初值和局部最优值对计算结果的影响,可有效应用于求解并联机构的位置正解问题。     

基于螺旋理论的3自由度并联机构运动学分析

【目的】满足汽车表面加工与车漆喷涂的任务需求,利用机器人进行协同甚至自主完成加工、美化工作,提高工作效率。【方法】设计了一款具备多自由度的汽车车身制造与喷漆机器人,采用3-RPS并联机构作为执行部件支撑件,针对机器人的结构设计特点,主要对机器人末端3-RPS并联机构支撑部分的机构构型和整体运动采用螺旋理论进行分析,利用闭环支链建立机构运动学模型。【结果】利用MATLAB和Admas View软件分别完成了运动学方程求解和运动学仿真,两者结果误差在3%以内。【结论】仿真值与分析值的误差较小,在可忽略范围内,所建立的设计机构运动学方程有效可行,可以利用此结果进行进一步的机器人运动控制设计与相关研究。     

2-UPR-PRU并联机构静刚度模型建立与性能分析

针对2-UPR-PRU两转一移三自由度并联机构,采用螺旋理论和应变能方法对其进行系统的静刚度模型建立与性能分析。基于闭环矢量法建立2-UPR-PRU并联机构的运动学逆解模型。考虑分支杆件的柔性,采用螺旋理论和应变能方法推导2-UPR-PRU并联机构各分支的刚度矩阵,结合变形协调方程构建2-UPR-PRU并联机构的整体刚度矩阵,得到外载作用下机构在不同位型的变形情况和整体柔度矩阵,并通过ANSYS软件进行数值仿真验证。基于静刚度模型分析2-UPR-PRU并联机构的虚功刚度指标,获得2-UPR-PRU并联机构在不同外载和操作高度情况下的静刚度性能分布图谱。研究结果对于设计样机、提高机构的控制精度方面有重要的参考价值。     

4-SPRR-SPR并联机构运动性能评价与尺寸优化

以一种空间五自由度4-SPRR-SPR并联机构为研究对象,结合实际应用工况对其进行运动性能评价与尺寸优化.建立并联机构的运动性能评价指标——运动/力传递性能,基于螺旋理论求解机构的输入螺旋、输出螺旋和传递力螺旋,并将其从局部坐标系进行坐标统一,通过增广矩阵法,得到机构的单位输出运动螺旋.将该并联机构作为搅拌摩擦焊机器人...     

RRR—UPRR—RPUR球面转动并联机构运动学分析

构造了RRR-UPRR-RPUR球面转动并联机构,该机构具有3个连续的转动自由度,其中2个转动自由度完全独立并由单个驱动器驱动,实现了三自由度球面转动的运动解耦.首先,根据螺旋理论建立运动支链中运动副在一般位形下的运动螺旋形式,实现对球面转动并联机构自由度的连续性判断.其次,利用线性代数方法,推导出并联机构动平台及相邻杆件的运动学模型,建立了球面转动并联机构的运动学正解的解析算法.最终,利用软件实体造型的运动仿真功能验证了理论计算结果.     

空间转动3-SPS-S并联机构运动学性能分析

提出了将空间三维转动3-SPS-S并联机构作为隧道管片安装机器人的微调机构,对该机构进行了运动学性能分析。在建立机构运动学模型,求解机构的位置逆解及其雅可比矩阵基础上,建立了局部刚度、局部灵活度和驱动性能3项性能评价指标。结合具体应用对该机构进行了运动性能评价。分析结果表明该机构具有良好的运动性能,能满足工程需要。     

3-PSR空间并联机构设计及运动分析

本文提出了一种能实现空间二维转动和一维平动的3-PSR并联机构,该机构结构对称,刚度大,有3条分布均匀、完全相同的支链。根据机构的自由度K-G公式计算了该机构的自由度,利用螺旋理论分析了该机构的运动形式;建立了机构的虚拟样机,并导入ADAMS/View软件中进行运动仿真,结果表明该机构能实现空间沿x、y轴转动和z轴移动,与螺旋理论分析的运动形式完全一致,这为后续研究该机构其他方面的性能提供了参考依据。     

3—CRPa移动并联机构运动学分析与仿真

提出一种新型3自由度纯移动并联机构,该机构由动平台、静平台以及联接两平台的3条相同的分支运动链组成。基于单开链单元理论分析,计算出机构的自由度,分别讨论了以角位移和线性位移为主动输入形式的机构运动学问题,推导出位置、速度、加速度的解析解。利用Matlab和Pro/E软件分别绘制出机构的位移、速度、加速度理论曲线和虚拟样机仿真曲线,仿真结果证明了理论分析的正确性。尤其是当以线性输入为主动输入时,机构的运动雅可比矩阵为单位阵且条件数恒等于1,所以此时机构在整个工作空间内表现为完全各向同性。     

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.     

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。