一种远中心并联机构运动学与性能分析

由固定移动副驱动的并联机构具有刚度好、精度高等优点,适合应用于外科手术领域。微创穿刺活检等手术要求机器人可驱动手术器械绕远端固定点转动。提出了一种2PURR-PUR远中心并联机构,采用螺旋理论分析了机构的自由度,确定了其运动特性。机构可执行绕远端中心的两个转动运动和一个通过该中心的移动运动。建立机构的位置模型,得到了位置逆解表达式。通过速度分析建立了雅可比矩阵,并得到了机构的奇异位形。机构具有逆解奇异和正解奇异。分析机构的工作空间。基于运动/力传递性能方法,分析机构的性能指标,绘制工作空间内的性能分布图,对机构进行了尺度优化。提出的远中心机构可用于穿刺活检、近距离放射治疗、冷冻手术等单一微小创口的外科手术。     

一种2R1T远中心运动并联机构性能分析及尺度优化

与串联机构相比，并联机构具有刚度好、精度高、结构稳定紧凑等优点，适用于外科手术领域。提出一种可用于微创手术本体结构的两转动一移动远中心运动（Remote Center of Motion,RCM）(5R)OC-URR并联机构，具有部分运动解耦特性。建立机构位置分析模型，推导出机构位置逆解表达式；在此基础上，针对微创手术工作任务，定义机构期望工作空间。应用局部运动/力传递性能评价指标，给出机构期望工作空间内平均传递指标定义及计算方法。以平均传递指标最大化为目标，建立机构尺度参数约束优化模型，并应用加速灰狼优化（Accelerating Grey Wolf Optimization,AGWO）算法求解该问题。数值实例测试显示，AGWO算法求解约束优化问题的综合性能优于对比算法。机构优化设计结果表明，给出的优化模型和算法可行有效。研究结果为该机构的实际应用奠定了理论基础。     

基于Grassmann线几何理论的并联髋关节试验机奇异位形研究

并联髋关节试验机的核心运动模块采用3SPS+1PS空间并联机构,由定、动平台及连接两平台的3根SPS支链和1根PS支链构成,具有3转动自由度和1平动自由度。并联机构的奇异特性对其工作性能有着重要影响,因而须对该髋关节试验机的相关性质进行研究。建立基于Rodrigues参数的机构静力学模型,得到静力学转换矩阵的一般表达式,并推导出与6条用于Grassmann线几何分析的直线相对应的Plücker矢量。通过分析各线簇秩的空间分布特点,得到许多新颖的奇异位形,并推导出机构处于奇异位形时的各种约束方程。通过数值仿真,得到线簇秩从1到5的各奇异位形对应的奇异轨迹。髋关节试验机奇异位形的研究对其工作空间分析、机构尺寸优化和控制系统设计具有重要的意义。     

3SPS-3PRS并联机构构型分岔特性

作为轴对称矢量喷管转向控制驱动机构的Gough-Stewart类并联机构,主要工作在奇异位置状态.在该位置,驱动平台能够获得一个绕其法线的自由转动,导致转向控制驱动机构的运动具有不确定性.为此,采用少自由度3SPS-3PRS并联机构限制该自由转动,通过对少自由度3SPS-3PRS并联机构的分岔特性研究发现,该并联机构存在尺度极限奇异位置,且输入参数的取值对由尺度极限奇异位置决定的并联机构的工作空间影响较大.对于给定的矢量状态要求,3SPS-3PRS并联机构的输入参数变化范围有可能超出由尺度极限奇异位置确定的工作空间,导致3PRS运动链产生较大的约束内应力,同时并联机构的工作空间跨越奇异位置使得动平台在通过奇异位置后的构型具有不确定性,因此该并联机构的运动奇异性问题依然存在.     

并联机构以保持构型通过奇异位置的方法

通过研究单输入参数作为自变量的并联机构构型曲线分岔特性,以及构型分岔曲线对输入参数扰动的响应,提出一种使并联机构以保持的构型通过奇异位置的扰动函数方法,并以半规则六边形Gough-Stewart并联机构为例,构造并联机构以保持的构型通过奇异位置的扰动函数.在扰动函数的作用下,并联机构以微小的误差到达奇异位置,并按原构型曲线返回.该方法解决了并联机构在奇异位置处运动不确定的问题,使并联机构能够在整体工作空间内给出确定的运动输出.     

激光加工用三平移并联机床的分析与研究

设计与研究了一种用于激光加工的三平移并联机床。介绍了并联机床的组成及部件间的连接关系。通过应用并联机构拓扑结构理论对并联机床的自由度进行了分析,得出其自由度输出为三平移。通过建立杆长约束方程,得到并联机床机构的运动学位置逆解方程。应用几何法对并联机床工作空间进行了分析与求解,并得出工作空间与机床机构参数之间的关系。通过建立并联机床的几何参数误差模型,得到机床动平台的输出位置误差,进而为并联机床生产和运动控制提供理论依据。     

冗余机构2URR-2RRU运动学与性能分析

针对实际运动控制对机构运动学分析及性能分析的依赖性问题,将并联机构运动分析方法应用到了新型并联机构2URR-2RRU中。首先运用了螺旋理论对机构自由度进行分析,采用矢量法对机构进行了位置分析,通过位置反解求解了相应的雅可比矩阵,并对机构进行了奇异性分析,再利用Matlab空间数值搜索法对该并联机构进行了工作空间分析,最后采用LTI性能指标对该机构的力/运动传递性能进行了分析。研究结果表明:该3自由度并联机构位置正解解析解难以求解,且该机构只存在反解奇异,其工作空间在Y轴方向上的大小由机构末端尺寸决定;性能分析结果显示,该机构具有良好的力/运动传递性能,可为2URR-2RRU并联机构优化提供理论基础。     

一种新型3-UPS/UPR并联机构运动学分析及应用

在4-SPS/CU并联机构的基础上提出了一种具有空间3个转动和1个移动自由度的新型3-UPS/UPR并联机构。减少了原有机构的奇异位型和对结构参数的限制,使机构的控制方案得以简化;计算了该并联机构的自由度,对其进行了运动学分析,得出了该机构输入与输出之间的映射关系;给出了该机构的位置反解,导出了该机构运动的Jacobian矩阵与Hessian矩阵;分析了该机构的速度、加速度以及工作空间。将此机构运用于人形机器人的颈部关节处,并对机器人头部在完成指定运动形式时机构的运动学性能进行了分析。     

三种无内部奇异的平面冗余驱动并联机构及其性能分析

提出了4-RPR型、4-RRR型、4-PRR型等三种新型无内部奇异的平面三自由度冗余驱动并联机构。运用螺旋理论分析了各机构的运动自由度,讨论了工作空间内部的非奇异性及其参数条件,建立了运动学模型,通过数值方法获得了各机构的定姿态工作空间,并通过数值仿真分析了各机构的可操作度性能指标,结果表明这三种并联机构的工作空间内部均无奇异,且具有良好的运动灵活性。     

并联机构奇异构型运动稳定性与其动力学参数

以3-RPR并联机构为例,研究了动平台动力学参数对并联机构奇异构型运动稳定性影响。采用Lagrange方法,建立该机构显含自身动力学参数的无乘子二次项非耦合质点系动力学解析方程,基于Lyapunov第一近似稳定性理论,将奇异构型运动稳定性问题转化为一阶线性近似系统特征根问题。研究表明:当动平台绝对速度中心落在奇异构型获得的旋转自由度回转中心临近区域内,并联机构奇异构型运动稳定性较差;增大与动平台回转方向一致的角速度值及输入参数项取值,有利于提高动平台奇异构型的运动稳定性。该研究对于利用机构动力学参数,在设计与实际控制阶段,消除并联机构奇异运动,或提高并联机构奇异构型的运动稳定性,具有积极的理论价值。     

Reciprocal screw theory based singularity analysis of a novel 3-DOF parallel manipulator

Singularity analysis is an essential issue for the development and application of parallel manipulators.Most of the existing researches focus on the singularity of parallel manipulators are carried out based on the study of Jacobian matrices.A 3-DOF parallel manipulator with symmetrical structure is presented.The novel parallel manipulator employs only revolute joints and consists of four closed-loop subchains connecting to both base and platform via revolute joints.The closed-loop subchain in each chain-leg is a spherical 6R linkage.The motion characteristics of the output link in the spherical 6R linkage with symmetrical structure are analyzed based on the interrelationships between screw systems.The constraints that are exerted on the platform by each chain-leg are investigated applying the concept of generalized kinematic pair in terms of equivalent screw system.Considering the geometric characteristics of the parallel manipulator,the singularity criteria of the parallel manipulator corresponding to different configurations are revealed based on the dependency of screw system and line geometry.The existing conditions of certain configuration that a singularity must occur are determined.This paper presents a new way of singularity analysis based on disposition of constraint forces on the geometrically identified constraint plane and the proposed approach is capable of avoiding the complexity in solving the Jacobian matrices.     

A centro-based characterization of singularities in the workspace of planar closed-loop manipulators

The paper presents a centro-based characterization of singularities in planar multi-DOF mechanisms with arbitrary kinematic structure. A multi-DOF mechanism is treated as an assembly of several single DOF link sets and hence the terms like affected link set, active link set and active centro have been defined. Criteria for end-effector dependent and end-effector independent singularities of a closed-loop manipulator with given output link have been established in the paper in terms of centroes. Based on the relative disposition of the centroes, the singularities have been classified into five types and their physical implications have been explained. End-effector dependent singularities are shown to lie on the coupler curve of a larger single DOF mechanism. A simple linkage transformation has been proposed for the study of manipulators with physical limits on joint motion under the general framework of close-loop manipulators. Several examples have been worked out to demonstrate the centro-based method of singularity analysis.     

一种典型DDS锻造操作机运动学分析

锻造操作机的运动学分析是实现操作机运动控制的基础,鉴于大部分学者仅对典型DANGO&DIENENTHAL(DDS)锻造操作机的主运动机构进行运动学分析,对一种典型DDS锻造操作机的整体机构进行运动学分析。该整体机构是由一个平行四杆机构和一个并联机构组成的串并联形式的混联机构。采用修正的Grübler-Kutzbach公式计算其中并联机构的自由度,计算结果表明并联机构的自由度数多于其主动输入数,所以该并联机构的运动无法直接确定。究其原因是机构中4S闭环的侧摆运动规律不唯一,因此对4S闭环的侧摆运动进行优化分析,利用旋转相似变换得到4S闭环侧摆后其输出件的姿态可用yzy欧拉角描述,从而确定该并联机构的运动。采用yzyy欧拉角描述钳杆的姿态,使得前三个姿态角恰好为4S闭环发生侧摆后其输出件的姿态角,从而很容易地建立该操作机整体机构主动输入与钳杆位姿之间的位置关系。在此基础上对该操作机整体机构进行速度分析,并用ADAMS软件对位置分析和速度分析进行仿真验证。     

软体机械手遥操作系统的设计与分析

面向气动软体机械手在远程非结构化环境下作业的工作需求，搭建了软体机械手遥操作系统。基于“快速气动网络”及模块化可拆卸原则，设计制作了软体弯曲致动器，根据实验需要组装成仿人手形软体机械手。在Yeoh模型基础上建立了软体致动器的力学模型并借助仿真分析加以修正，为软体致动器的控制提供了理论依据。设计了遥操作系统的总体结构，提出了气动软体机械手的驱动模式与控制策略，在C#窗体应用程序中开发了客户端软件。基于蒙皮技术在3D Max软件中对软体致动器进行建模，在Unity3D中搭建了虚拟作业场景，通过脚本程序设计实现远地端反馈信息对软体末端的运动控制和对目标对象的碰撞与拾取。开展软体致动器弯曲角度与充气气压实验，验证分析力学模型的准确性；开展遥操作手势映射实验，分析与探讨软体机械手遥操作系统的可行性及其进一步研究与应用。     

避免设计位形下发生平台奇异的三自由度转动并联机器人设计方法

设计一种基于反螺旋理论的系统方法,给出了具有三个转动自由度的并联机器人的设计要求。分析了产生平台奇异时三条支链所提供的反螺旋的线性关系,利用三条支链对平台所提供的特殊约束,避免设计位形下发生平台奇异现象。给出了设计该类结构的运动副组成类型和空间放置原则。     

Dynamic Analysis of the Spherical Part of the Parallel Manipulator Taking into Account the Control Law

A parallel manipulator with six degrees of freedom is considered. A dynamic model for the spherical part of the manipulator is presented. Dynamic analysis is carried out. The real laws of motion of the output link of the spherical part of the manipulator are determined by the screw theory method based on solution of the inverse dynamic problem and the direct velocity problem. The effect of the initial conditions and feedback coefficients on the error of the real law of motion of the output link is analyzed.     

少自由度并联机器人机构的静力分析

与6自由度并联机器人不同,少自由度并联机器人机构的支链不仅传递驱动力,同时还要向末端提供约束力,然而在对此类机构进行静力分析时,现有的研究都忽略了约束力的传递特性。为此,以微分流形理论为基础,分析指出少自由度并联机器人末端的完整力空间应包括驱动力子空间和约束力子空间,并以此为基础,利用虚功原理,给出一种建立此类机构输入与输出广义力间完整映射的方法。此完整力映射包括驱动力映射矩阵和约束力映射矩阵。通过计算这两个矩阵的条件数,可以分别分析此类机构驱动力和约束力的传递特性。该分析方法的物理意义和数学理论相统一,且概念清晰,便于深入理解少自由度并联机构静力传递的特性。最后,以3-UPU并联机器人机构为例进行实例分析。     

面向微创手术器械臂的可变刚度机理综述

微创手术以体表小切口或人体腔道为入路,造成的组织创伤更小,代表着外科手术的最前沿。对于位置深远的病灶,需采用细长柔性器械来适应复杂的体腔环境。具有变刚度特性的手术器械臂,可实现柔性器械的刚柔并济,是保障术中人机交互安全、兼顾操作精度和力输出的关键。聚焦于微创手术器械臂领域,对变刚度机理进行综述,将其分类为：阻塞法、热响应材料法、形状锁合法、力对抗法、梁特征重构法以及混合法。根据对器械臂的性能要求,首先讨论、比较了各变刚度机理在刚化能力、响应时间、空间占用等方面上的性能。然后,综述了潜在的器械臂变刚度设计方法并分析其前景与挑战。最后,总结展望了该研究领域,指出发掘新型变刚度材料及基于仿生理念开展结构/功能一体化设计是本领域寻求突破的重点。     

Kinematics analysis and numerical simulation of a manipulator based on virtual prototyping

Manipulator kinematics refers the analytical study of the motion of manipulator, such as positions, velocities, and accelerations of the links of a manipulator. As formulating the suitable kinematics models for a manipulator is very crucial for analyzing the behavior of manipulators and light weight design of manipulators, many researches have been focused on it in recent decades with a result of many valuable contributions. However, current researches always focus on rigid manipulator, while the manipulator is always a rigid-flexible coupling multibody system, which can affect the accuracy of kinematics analysis and numerical simulation. This paper proposed a model of kinematics analysis of manipulator based on rigid-flexible coupling virtual prototyping. After a model of manipulator kinematics based on the D-H method was proposed, rigid-flexible coupling virtual prototyping-based kinematics simulation and numerical simulation was then put forward. The kinematical experiment is carried out based on manipulator physical prototyping, which demonstrates that the accuracy of the kinematics calculation and the rationality of design based on rigid-flexible coupling virtual prototyping. The design of a five-degrees-of-freedom manipulator is given as an example, which demonstrates that the methodology is obviously helpful to manipulator design.     

Analytical determination of principal twists in serial, parallel and hybrid manipulators using dual vectors and matrices

The determination of principal twists of the end-effector of a multi-degree-of-freedom manipulator plays a central role in their analysis, design, motion planning and determination of singularities. Most approaches to obtain principal twists and the distributions of twists, such as the well-known classical results of cylindroid and hyperboloid, are based on geometric reasoning and involve intuitive choice of coordinate systems. In this paper, we present a formal algebraic approach to obtain the principal twists of any multi-degree-of-freedom serial, parallel or hybrid manipulator, by making use of the algebra of dual numbers, vectors and matrices. We present analytical expressions for the principal twists and the pitches for any manipulator of arbitrary degree-of-freedom. A consequence of our approach is that we can obtain analytical expressions for the screws along which a manipulator can lose or gain degrees-of-freedom at a singularity. The theoretical results are illustrated with the help of examples of parallel and hybrid manipulators.