并联机构六维控制器的运动学性能分析及尺度优化

针对一种含子闭环3-5RUU并联机构的六维控制器进行运动学性能分析和尺度参数优化。首先用附加传感器的方法计算3-5RUU并联机构运动学正解,并求得了唯一解;其次建立了运动学逆解模型,根据运动学逆解,建立了工作空间的约束条件,通过MATLAB编程对机构进行了定姿态的工作空间分析;然后采用单一变量分析法得到了并联机构尺度参数与定姿态工作空间的关系;最后以工作空间最大为优化目标,利用遗传算法优化了机构杆长参数,使六维控制器的有效工作空间更大。结果表明:六维控制器的工作空间提高到原来的3倍以上。     

混合人工蜂群算法在并联机构尺度优化中的应用

以4-RUPaR并联机构为研究对象,以机构杆长为约束条件,利用解析几何中的坐标变换理论,得到其运动学反解模型,根据该模型,利用所有满足约束条件的"点集"描述并联机构定姿态工作空间大小。建立以并联机构驱动连杆长度、执行连杆长度和动平台尺寸为设计变量,以工作空间最大化作为优化目标的尺度优化模型。在求解多维优化问题时,为提高算法的搜索效率及解的质量,文中将差分进化(Differential Evolution, DE)算法融入人工蜂群(Artificial Bee Colony,ABC)算法,提出一种混合人工蜂群(Hybrid Artificial Bee Colony,HABC)算法,以增强算法的全局优化能力。应用HABC算法求解并联机构尺度优化设计,获得了较好的优化效果。     

线性驱动并联机构基于有效工作空间比的尺度优化

提出了1种并联机构工作空间的几何求解及尺度优化方法。首先,借助闭环矢量法构造了线性驱动6自由度并联机构的位置逆解模型;推导得出并联机构定姿态可达工作空间的边界曲面方程,获得精确的3维可达空间;提出"有效工作空间比"概念,以刻画可达工作空间的有效尺度域;最后,在考察归纳机构关键尺度参数对有效工作空间比的影响规律的基础上,以包络已知任务空间的可达空间体积最小作为目标函数,结合有效工作空间比取值范围、驱动关节位移范围、构件干涉及尺度约束等约束条件,联合应用模拟退火+模式搜索算法进行了机构关键尺度参数的优化设计。研究成果可为并联机构的结构设计奠定必要理论基础。     

6-RSS型并联机构的工作空间分析与参数优化

以6-RSS型并联机构为研究对象,建立解析形式的反向运动学方程,给出考虑驱动副转角范围、球副转角范围、连杆干涉等约束条件时的反解选取准则,推导出每种约束表达与机构参数间关系,特别是复合球副独特的附加约束表达.基于带约束条件的反向运动学方程,利用三维边界搜索法,绘制并联机构多个定姿态工作空间的截面图和三维实体图.最后以工作空间体积为优化目标,获得结构参数和约束条件对工作空间体积的影响关系曲线,为定量分析影响效果提供解决途径,最终利用全局搜索法得到6-RSS机构的一组最优机构参数,在机构整体尺寸基本不变情况下使工作空间增大60%,达到优化机构参数的目的.     

六自由度3-PRPS并联机器人工作空间分析

以六自由度3-PRPS并联机器人为研究对象,根据其机构特点,对其进行运动学反解分析.在运动学反解的基础上运用搜索法得到满足各约束条件时该并联机器人在定姿态下的工作空间,并研究了并联机器人在约束条件与给定的球铰安装方式下,上、下平台的比值p对机器人工作空间的影响.     

三自由度拟人并联机构的尺度参数优化研究

为提升并联机构的运动学与静力学综合性能,提出了一种基于空间模型技术的并联机构多目标尺度参数优化方法。首先,根据人机工程学设计了一种2-PUS/RS三自由度并联机构,并基于螺旋理论分析了机构2种类型支链的自由度,计算了并联机构的自由度;采用欧拉角描述了动平台姿态,推导了机构的位置反解;在肘、腕关节的转动副和驱动器约束条件下,利用搜索法得到了机构的工作空间;然后,定义了角速度传递、角速度各向同性性能评价指标,绘制了评价指标在工作空间中的等高线分布图;最后,利用空间模型技术无量纲化尺度参数,绘制了各项全域性能图谱,并采用加权求和法对其进行了多目标参数优化,得到了机构的最优结构参数。研究结果表明:优化后机构的各项指标大幅提升,全域角速度传递性能、力矩传递性能和各向同性性能分别提高了16%、80%、40%,验证了该尺度参数优化方法的有效性。     

三杆六自由度并联微动机器人的工作空间分析

针对提出的基于压电陶瓷驱动的三杆六自由度并联微动机器人,在分析其结构特点的基础上,通过坐标变换求出了其逆解方程.分析了影响并联微动机器人工作空间的约束条件,对定姿态工作空间采用一维搜索法求得边界点.用实例进行仿真计算,得到结构参数对工作空间的影响规律.与常规6-PSS并联微动机器人的定姿态工作空间进行了比较,说明了其工作空间分布的特点.所做的工作空间分析为机器人工作空间优化设计和机构尺寸设计提供了依据.     

混联贴标机构运动学分析及工作空间研究

根据成捆圆钢端面贴标的工程应用场景提出一种新型3T2R混联机构,该机构由3-RRP~(4R)R并联机构和2自由度旋转串联机构串接而成。提出运用两次蒙特卡洛法相结合的办法求解混联机构工作空间。建立混联机构运动学模型,根据并联机构的几何关系得到反解方程,并确定并联机构工作空间的约束条件,采用蒙特卡洛法得到并联机构工作空间内的点集;根据坐标变换矩阵求得串联机构运动学正解及混联机构运动学正解,并将并联机构工作空间内的点坐标代入混联机构位置正解中,采用蒙特卡洛法得到混联机构的工作空间内的点集。     

BKX-I型并联机床定姿态工作空间数值仿真与求解

以北京某大学研制的BKX-I型并联机床为对象,用矢量法建立了并联机床的位置逆解方程。通过分析影响机床工作空间大小的结构约束条件,基于位置逆解方程推导了并联机床的定姿态工作空间求解过程,提出了一种基于柱坐标搜索法原理的工作空间数值求解方法。在此基础上,在MATLAB软件环境中对BKX-I型并联机床的定姿态工作空间进行了数值仿真与求解,得到了工作空间的三维图谱和定姿态工作空间的体积。仿真结果表明,该方法原理简单、效率高、仿真效果好,为后续深入研究奠定了基础。     

索杆混合驱动并联机构设计与工作空间分析

提出一种新型索杆混合驱动并联机构,在SolidWorks中构建整体装置模型。利用空间向量分析法推导了该机构的运动学逆解模型;分析了并联平台静止状态下受力平衡关系,建立静力学平衡方程,并在此基础上讨论了机构可控工作空间的求解方法;在给定机构运动副的约束条件下,对动平台姿态可控工作空间进行数值仿真,得到仿真图像。搭建索杆混合驱动并联机构试验平台,进行末端动平台位姿变换试验。试验结果与运动学模型和工作空间数值仿真图像对比,结果表明,动平台位姿与柔索长度的关系满足运动学反解模型,末端动平台姿态可实现工作空间仿真图像中最大姿态偏转角度。研究工作为后续机构的实际应用和性能优化奠定了一定的理论基础。     

BKX-Ⅰ型并联机床定姿态工作空间数值仿真与求解

以北京某大学研制的BKX-Ⅰ型并联机床为对象,用矢量法建立了并联机床的位置逆解方程.通过分析影响机床工作空间大小的结构约束条件,基于位置逆解方程推导了并联机床的定姿态工作空间求解过程,提出了一种基于柱坐标搜索法原理的工作空间数值求解方法.在此基础上,在MATLAB软件环境中对BKX-Ⅰ型并联机床的定姿态工作空间进行了数值仿真与求解,得到了工作空间的三维图谱和定姿态工作空间的体积.仿真结果表明,该方法原理简单、效率高、仿真效果好,为后续深入研究奠定了基础.     

基于边界搜索法的4UPS-UPU并联机构工作空间分析

设计了一种4UPS-UPU并联机构,通过矢量代数法求解该并联机构运动学逆解,给出关节变量与末端位姿间的映射关系.采用边界搜索法分析并联机构定姿态时的工作空间,获得工作空间的三维图形,计算工作空间大小.研究该并联机构的支链长度、动静平台半径和运动副转角等结构参数和运动参数对其工作空间大小的影响,为机构的参数优化及轨迹规划提供理论依据.     

三平移并联机构的尺度综合

基于逆向思维提出了一种满足工作空间要求的三平移自由度并联机构的尺度综合方法。在工作空间已定的前提下,给出了并联机构,通过运动学反解的方法确定并联机构的结构参数的方法,最后在确定杆长以后通过运动学正解的方法验证了并联机构的工作空间。     

Stewart机构姿态奇异及姿态工作空间的研究

推导出6/6-SPS型Stewart机构处于固定位置时机构的姿态奇异轨迹的解析表达式。利用位置反解方程并综合考虑所有的结构约束条件,提出了一种计算6/6-SPS型Stewart机构的姿态工作空间的离散算法,基于此算法提出了计算该并联机构的实际姿态工作空间的离散算法。通过计算机仿真给出了6/6-SPS型Stewart机构的姿态工作空间和实际姿态工作空间的三维可视化描述。     

新型三自由度并联机构工作空间分析

随着并联机构技术的发展,少自由度并联机构由于具有结构相对简单,控制容易等优点,逐步成为机构学领域新的研究热点,在工业领域有着广阔的应用前景。针对并联机构工作空间较小的特点,对一种新型三自由度并联机构进行研究。该机构的工作空间对称分布于定平台的两侧。在分析其结构特点的基础上,推导出其位置反解方程。根据约束条件,采用数值方法绘制出工作空间的三维立体图和Z截面上的边界图。并定量分析了机构设计参数对工作空间大小的影响。     

六坐标位姿测量机的设计与研究

该测量机构由串联位置测量机构和并联姿态测量机构组成,具有较大的工作空间和较高的测量精度。机构中设置了一个冗余自由度和重力平衡装置,从而具有很好的灵活性。通过机构综合的方法,合理设计并联姿态测量机构,克服了并联机构正解的困难,使得姿态测量参数存在显式解,从而被测物体的六个坐标参数可以实时显示。由作图法得出机构工作空间。误差建模分析了机构的测量误差,并针对并联姿态测量机构测量误差最小作为目标函数优化了机构运动学设计参数。     

3-PRR柔性并联机构的优化设计

设计了一类采用压电陶瓷驱动的三自由度3-PRR柔性并联机构。基于"伪刚体模型"理论和位置矢量方程构建其伪刚体模型并进行运动学分析,得到了机构的运动学数学模型。通过分析机构可达转角范围及截面面积,确定了机构的优化范围;以满足预定的全局条件数为约束条件和以最大工作空间面积为目标,利用圆柱坐标搜索法对结构参数进行优化,并将优化结果运用到实例中,考察雅克比矩阵条件数的倒数在机构工作空间中的分布规律,得到了较为理想的优化结果。     

基于工作空间最大化的平面柔索驱动并联机构优化设计

工作空间是并联机构的重要指标,柔索驱动并联机构与杆支撑并联机构相比,其突出的优点是具有较大的工作空间.从平面柔索驱动并联机构出发,探讨柔索与动平台的连接位置对定姿态工作空间大小的影响.建立柔索驱动并联机构静力模型,并对4根柔索驱动的3自由度平面机构的定姿态工作空间进行分析,对此类机构的柔索与动平台的连接位置参数进行建模,通过直接搜索的优化算法对这些位置参数进行优化,得到了最优的结构参数.与常用的平面构型相对比,优化后的机构构型具有更大的定姿态工作空间.     

基于遗传算法3-RCR并联机器人的结构参数优化设计

确定机器人机构结构参数是并联机构优化设计的难题,因为并联机器人的机构结构参数优化属于多维,多目标和多约束条件优化问题。基于3-RCR并联机构的工作空间体积,分析了机构结构参数对工作空间体积的影响。运用坐标变换法对机构的位置反解进行求解;利用极坐标边界搜索法通过具体算例确定了机构的工作空间及其边界,以工作空间为目标利用遗传算法对机构进行了结构参数优化,获得了性能优良的结构参数,运用MATLAB软件编程得到了该并联机构的工作空间图谱。为该类并联机构的进一步研究和推广应用奠定了基础。     

基于运动学、刚度和动力学性能的并联机构有序递进三级优化设计及其应用

提出一种基于运动学、刚度和动力学性能的并联机构有序递进三级优化策略,即分别应用遗传算法（GA）、粒子群算法（PSO）、差分进化算法（DE）三种智能算法,以工作空间性能和运动/力传递性能为目标的尺度参数优化方法,又在优化尺度参数基础上,以机构承载刚度和整体刚度为目标进行构件截面参数优化,再在优化尺度参数和截面参数基础上,以动力学灵巧度和能量传递效率为目标进行构件质量参数优化,从而使得机构的尺度、截面及质量参数达到最优。以一种零耦合度三平移一转动（SCARA）并联操作手为例,运用矢量法建立了并联操作手的运动学模型,通过工作空间性能和运动/力传递性能两个运动学指标,优化其尺度参数;运用虚拟弹簧法得到该并联操作手的刚度模型,通过对三维模型的参数识别得到其柔度矩阵,并分析了承载刚度、整体刚度两个刚度性能指标,优化了构件的截面参数;利用动力学普遍方程导出了该并联操作手的动力学模型,通过动力学灵巧度和能量传递效率两个动力学性能指标,优化了构件的质量参数。最终,该并联操作手的运动学、刚度和动力学综合性能达到最优,也得到了一些尺度、截面及质量参数的设计准则。