基于螺旋理论的单闭环多自由度过约束机构综合

以螺旋理论为基础,分析构成单闭环过约束机构的约束数目、运动副数目和自由度数目之间的关系,给出针对单闭环过约束机构的自由度计算公式。按照约束螺旋的性质将过约束螺旋分为具有不同阶数的力约束和力偶约束两类,总结所有可能形式的独立过约束性质和数目及其组合。在给出特定过约束组合的条件下,应用虚功原理,以反螺旋理论为计算手段,得到多自由度单闭环机构的综合条件。应用解析的方法,得到满足机构为非瞬时运动的条件,给出机构的运动副轴线布置、运动副数目、运动副排列和空间几何条件。全面系统地解决了单闭环多自由度过约束机构的构型综合问题,群举所有可能的单闭环过约束并联机构。给出机构综合步骤以及部分典型机构的设计范例。     

多模式空间6R地面移动机构

提出一种新型空间单闭链F1C1（约束力F和约束力偶C）约束型6R（转动副）机构,并应用其研制一种地面移动机器人。基于单环运动链构型综合方法,构造出空间单闭链单自由度F1C1约束型6R机构,应用螺旋理论进行自由度和奇异位置分析,结合地面移动需求构造地面移动机器人,进行了杆件形状的设计,规划驱动电动机布局方案,完成运动学和移动机理分析,规划类蠕动、平面4R转向和内翻三种移动模式,分析越障性能,揭示其突出的折展特性。制作样机,验证了多模式空间6R地面移动机构方案和运动规划的可行性。     

1T2R3自由度并联机构拓扑结构综合

研究1T2R 3自由度UP和UPR-SPR型等效运动并联机构的拓扑结构综合方法。该方法借助虚拟链法综合思想,在分析UP和UPR-SPR虚拟链约束旋量系的基础上,以4、5自由度支链为机构分支运动链,揭示其运动副轴线需要满足的几何条件,由此得到多种含冗余驱动/过约束的新构型。在此基础上,提出采用在移动副两端配置若干转动副构造4、5自由度可重构支链来搭建各种1T2R 3自由度并联机构的可行方案。     

并联机器人支链结构的解析识别

提出了一种基于螺旋理论的少自由度并联机器人机构支链结构的解析识别方法,按照对并联机器人动平台运动的要求,确定对动平台的约束方式,并按照特定的约束识别对应支链螺旋系的基螺旋,通过基螺旋的线性组合确定转动副和移动副的螺旋表达式,进而根据有限运动条件列举出所有满足约束条件的支链结构.     

基于位移子群分析的3自由度移动并联机构型综合

应用李群和李代数理论对3自由度并联移动机构型综合进行了系统的分析,给出了表示位移子群T和X(w)的李子代数的运动螺旋系,然后对运动螺旋系中的旋量进行线性组合,得到了可以生成位移子群X(w)的几种分支运动链,再根据多个位移子群X(w)的交集为位移子群T的几何条件,最后综合出数种3自由度移动并联机构,从李群和李代数理论验证了以前以结构约束法得到的型综合结果。     

利用约束螺旋理论综合的空间对称2-DOF并联机构

首先按运动功能对两自由度空间并联机构进行分类,得到了空间2Ryz型（绕y轴和z轴转动)和1Rz1Tz型(绕z轴转动和沿z轴移动）的两自由度机构;给出了两类并联机构的分支约束螺旋系和机构约束螺旋系,以及保证所有分支约束螺旋的合成是期望的机构约束螺旋系的几何条件。对这两种空间并联机构运用约束螺旋综合理论进行系统的型综合,得到了可实现连续运动的具有绕定平台平面内两轴转动的并联机构以及沿着定平台法线方向移动和绕其转动的两自由度并联机构;得到了两自由度并联机构各种类型的分支链结构,以及两类机构的结构约束特性。将少自由度对称并联机构类型由原来的9类扩充到11类,丰富了机构类型。     

对称单自由度螺旋运动并联机构型综合

针对馈能减振器对运动转换机构的功能需求,提出基于并联机构的设计方案。采用约束螺旋理论提出一种结构对称单自由度螺旋运动(1H)并联机构型综合方法。运用螺旋理论,给出将力螺旋分解为空间多个力线矢的方法。在此基础上,将1H并联机构动平台约束螺旋系中的约束力螺旋,分解成与机构分支数相等的线性无关力线矢,用分解得到的力线矢替代该约束力螺旋,与动平台约束螺旋系中其它约束力和约束力偶形成新的机构约束螺旋系。通过反螺旋理论和空间几何理论确定分支约束螺旋系,进而求得分支运动螺旋系。通过线性组合和等效代换综合出全部合适的分支运动链,将结构相同的分支运动链沿动平台和定平台对称布置,得到一系列满足要求的1H并联机构。最后以3-UU机构为例,对综合得到机构进行自由度分析,分析结果验证了构型综合方法的正确性。     

基于支链构造法的新型6-DOF并联机构构型设计

提出一种新型3支链6自由度机构构型设计方法。对于6自由度并联机构,支链对动平台没有自由度约束,只存在尺度约束。在每条支链中都加入一个球副,用以实现3转动自由度,其余运动副用以实现3移动自由度。以支链中移动副的数目为分类原则,得出了24种通用支链结构,在此基础上,对支链运动副轴线的位置进行特殊配置,得出了对应的新型支链结构。应用得出的支链结构,对其进行组合,设计出一系列6自由度并联机构,并且以简化运动学求解、扩大工作空间为目的,给出支链内部运动副轴线配置及支链空间拓扑位置的配置设计原则。对得出的新型3-RPPS机构进行运动学、尺度约束和工作空间分析,并建立与机构性能相关的尺度要素与构型综合的关系,验证了本方法的有效性。     

一种新型轴/径向伸缩式轮胎成形鼓机构自由度分析

针对一种用于子午线轮胎成形的新型轴/径向伸缩成形鼓机构,应用叠加原理,将成形鼓机构以自由度相等的基本驱动单元进行拆分。通过进一步对驱动单元进行结构分解,得到平面六杆机构及三杆四副支链等基本运动链。运用螺旋理论,对各简单平面机构及支链进行局部自由度、虚约束及公共约束的判定,分别计算其自由度;并依据广义运动副替代原则,得到多个子链组合而成的复杂多环路机构的自由度。通过对成形鼓机构的结构分解,得到了机构自由度数并对其性质进行了判定。     

一类两转动自由度完全解耦的三支链两转一移并联机构

提出了含恰约束支链两转一移3自由度并联机构(2R1T)两转动自由度完全相互解耦的两个充分条件,设计得到了两转动自由度完全解耦的2R1T并联机构RRU-UUR-RPR和RPU-UPR-RPR,采用螺旋理论对机构自由度性质进行了分析,得到机构两条连续转动轴线的分布。然后建立机构输入位移与位姿输出之间的映射模型,根据转动自由度完全解耦的数学描述,分析得到该机构两转动自由度是完全解耦的。最后比较分析了该类机构与其他两转一移三支链并联机构含有的被动单自由度运动副数目,该类机构含有的被动运动副数目仅为8,易于实现高结构刚度的目标,具有广阔的应用前景。     

4-PUS/PUU并联机构在机床上的应用

采用4-PUS/PUU并联机构作为机床的执行机构,该机构具有三维移动和二维转动的空间5自由度,可实现机床五轴联动的运动功能。采用螺旋理论建立了4-PUS/PUU机构各支链运动螺旋系,通过运动螺旋求交、约束螺旋求并的原则,得出动平台的自由度数目和性质。在Solid Works软件中建立4-PUS/PUU机构的三维模型,并进行了运动学性能分析。     

欠秩三自由度3-UPU并联角台机构运动特性分析

分析了一种欠秩三自由度3-UPU并联角台机构(支链移动副两端转动副相互平行)的运动特性。首先，用反螺旋理论分析了在初始位置和发生位移后该机构的运动特性。其次，得到了在初始位置和发生位移后该机构的主螺旋。研究表明，该机构在不同的位置下有3个连续的移动自由度，即有相同的自由度数目及相同的自由度的性质．因而该机构是一种性能稳定的、适用的机构。通过研究，丰富了欠秩三自由度并联机构的理论。     

新型4自由度并联机器人运动学分析

研究一种新型3-RRUR并联机器人,这类并联机器人结构简单对称,刚度大,可用于实现高精度装配,也可用来开发力传感器或构造并联机床以及微动机器人,且分支中不含移动副,便于使用维护。首先利用螺旋理论,建立分支运动螺旋系,然后求解各分支对运动平台的约束螺旋,分析约束螺旋系,在此基础上确定3-RRUR并联机器人的自由度数是4,自由度性质为三维移动和一维转动,转动轴线垂直于固定平台与3个分支相连接的运动副轴线所在的平面。再以反螺旋理论为基础,采用刚化驱动运动副后分析运动平台所受约束性质和约束相关性的方法,给出合理的输入方案。并结合自由度性质分析,建立约束方程,进行运动学正反解,给出相应的算例。研究结果将对推动此类机器人的应用起重要作用。     

含螺旋副机构运动分析的影响系数法

本文通过以转动副、移动副的串联组合替代螺旋副的方法求出了串联机构中螺旋副的运动影响系数,并在此基础上针对单环 RRRSH 机构进行了运动分析。     

含螺旋副机构运动分析的影响系数法

本文通过以转动副、移动副的串联组合替代螺旋副的方法求出了串联机构中螺旋副的运动影响系数，并在此基础上针对单环RRRSH机构进行了运动分析。     

新型3-PCRNS球面3自由度并联机构

提出一种新型3-PCRNS球面3自由度并联机构,其分支运动链由一个带环形导轨的移动副PC,一个转动副RN (下标N表示三个分支中转动副的轴线都交于一点)和一个球铰S构成。运用约束螺旋理论,对该机构的自由度、奇异位形和输入选取进行分析。在一般非奇异位形下,该机构中三个PCRNS分支运动链对动平台施加三个汇交于机构中心点的约束力,约束机构动平台的3移动自由度,机构具有3转动自由度;在奇异位形下,三个PCRNS分支对动平台施加六个线性相关的约束力,其最大线性无关数为五,机构具有一个绕z轴的瞬时转动自由度。可选用带环形导轨的移动副PC作为主动副,此外该机构动平台绕z轴的转动自由度和其他转动自由度解耦。     

基于螺旋理论的3-PPR球面并联机构的奇异性分析

提出一种新型3-PPR球面并联机构。对于每条支链中的移动副,由于其绕球面运动的特殊轨迹,可将移动副等价转换为转动副。首先,应用螺旋理论为基础给出每条支链的运动螺旋系,然后应用修正G-K公式,分析得出机构的自由度数目;其次,利用反螺旋系的解法和矩阵理论知识,在求出3-PPR球面并联机构的完整雅可比矩阵的前提下,分析矩阵的秩,得出机构产生奇异位形的条件和奇异位形的类型;最后,根据该机构的位置正解,考虑其干涉条件,利用Matlab绘制出稳定的工作空间,进行验证。研究表明,3-PPR球面并联机构无奇异位置,具备较好的应用前景。     

基于螺旋线矢力的一类三自由度对称并联机器人结构研究

针对二转动一平动(2R1T)三自由度并联机器人,基于螺旋理论,提出了可能的支链方案.分析了支链只存在单约束线矢力的情形,利用互易螺旋,得到支链运动副组合及其相应的设计原则.由于空间线矢力对转动与平动自由度都有影响,讨论了此类并联机器人自由度与约束线矢力空间分布之间的关系.综合支链运动副设计原则与机构设计所需线矢力空间分布,可得到符合实际应用的具有2R1T运动特征的并联机器人.通过对3-RPS三自由度并联机构的分析,具体说明了空间线矢力与并联机构自由度之间的相互影响.同时,此种机构综合方法也适用于其它少自由度并联机构构型的综合与优化设计.     

独立杆组参数矩阵的表达方法

并联机构中由于各杆组间的约束类型不同导致部分杆组参数向量中含有不独立的混合参数,使得对机构中输出构件自由度数目及性质、机构过约束判断的直观性变差。为构建仅含独立运动参数的杆组参数向量,分别就向量中非独立的"角运动参数"、"非衍生线运动参数"、"衍生线运动参数"展开讨论,基于螺旋理论,通过研究螺旋系的相关性,得到线性无关的基螺旋系,并等价到杆组参数矩阵中,建立独立杆组参数矩阵,最终提出参数垂直分量有效准则。结合该准则,基于GOM自由度新公式,对几种典型机构进行自由度分析,验证这些理论在独立杆组参数矩阵确定、机构自由度求解、输出构件自由度及运动性质分析、过约束判断等方面的应用。     

一种新型分岔并联机构的多自由度模式分析

提出一种全新的分岔单环闭链构型URRC,这种单环闭链具有两种自由度模式。将串联支链PRRP与分岔单环闭链组合成混联支链,利用3条混联支链连接动平台和定平台,得到了一种分岔并联机构。通过对单环闭链不同模式的组合,得到3T3R、3T、2R1TⅠ、2R1TⅡ、1R2T共5种自由度模式的并联机构,并用螺旋理论分析证明了分岔并联机构具有的5种自由度模式的正确性和驱动选取的合理性。