3-PRP平面并联机构运动学分析

介绍了一种具有两平动和一转动的平面三自由度并联机构。首先,对该并联机构进行位姿分析,并且建立位姿正解和逆解方程,求解出其位姿正、逆解;其次,利用MATLAB软件编程对一组实验数据进行计算,求出位姿正解和逆解的结果进一步验证方程的正确性;最后,根据位姿正解和逆解方程分别求解出机构输入和输出的速度和加速度。研究结果表明3-PRP机构结构简单,易于控制和驱动,是对3-RRR类平面并联机构的重要补充与深化。为该机构的工作空间、轨迹规划、优化设计等性能的研究提供了理论基础。     

3-RPR并联机构的运动分析

本文以3-RPR并联机构为研究对象,对机构进行了位姿分析,得出了机构的位姿正解和位姿逆解,并且进一步求出了机构的Jacobian矩阵,从而得出该机构的几种奇异位形,为该机构的进一步分析研究和开发奠定了基础。     

含双驱动支链的2UPS-RPU并联机构雅可比矩阵

基于旋量理论和李群李代数方法,以4自由度2UPS-RPU并联机构为例,提出了含串联输入支链的并联机构正运动学雅可比矩阵的一种新的推导方法。首先利用指数积公式建立含串联输入支链的位置正解,得出动平台位姿矩阵,根据动平台位姿矩阵列出第2和第3支链对动平台的约束方程,通过对方程组两边微分,得出第1支链关节速度与主动关节速度的映射关系,然后代入第1支链正运动学速度关系式,得出并联机构的正运动学雅可比矩阵。最后,基于螺旋理论建立了并联机构逆运动学的完整雅可比矩阵。为机构的奇异性分析提供了理论基础。     

基于BP神经网络算法的3-CRS/SP并联机构正解分析

提出一种通过BP神经网络求解并联机构位置正解的方法。根据BP神经网络的算法,采用了3层前向神经网络。对3-CRS/SP并联机构建立旋转矩阵求得该机构的位置逆解。将位置逆解所得数据作为神经网络的输入,将求解位置逆解的动平台位姿包含4个参数值作为输出,进行神经网络的训练。仿真和实验结果表明,该方法对于求解并联机构位置正解快速有效;相对于解析法,该方法直观简洁,能够为并联机构的控制过程提供数值参考。     

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。     

大型刚体调姿系统最优时间轨迹规划

研究基于三坐标支撑柱的大型刚体位姿调整系统。系统可等效为6自由度冗余驱动并联机构,动平台初始位姿和目标位姿已知,而运动时间和路径不确定。为了使支撑柱运动平稳并提高调姿精度,在考虑工程实际中的关节驱动力约束和驱动速度约束的基础上,提出一种最优时间轨迹规划算法。首先运用冗余驱动并联机构的分析方法建立该系统的运动学和动力学模型,并通过Moore-Penrose广义逆矩阵得到关节驱动力的最小范数解,然后以时间为参数,运用5次多项式拟合调姿物体的位姿变化轨迹,再通过二分法求解出满足关节空间约束的最优调姿时间,从而生成相应的关节运动轨迹。仿真结果表明算法只需经过较少次迭代就能获得理想的调姿运动轨迹。总之,该轨迹规划方法是有效的。     

6-SPU并联机器人的轨迹规划与仿真

针对航空制造领域中对飞机机翼等大型工件的高加工精度、高生产效率等要求。首先,通过螺旋理论对6-SPU并联机器人进行了机构自由度的分析,并根据弗莱纳-雪列空间三元矢量原理以及并联机构的逆运动学求解方法,对6-SPU并联机构动平台的运动规划进行了分析和研究,得到机构动平台在加工过程中的相应位姿。然后,利用齐次坐标变换矩阵和逆解运算公式进一步确定6-SPU并联机构动平台上末端执行器按照预期运动轨迹移动时在驱动副上所施加的驱动运动规律。最后,借助三维软件SolidWorks及MATLAB中Simulink仿真模块进行建模仿真,进而验证了对并联机构运动轨迹规划的可行性,为移动式并联加工平台的工程设计提供理论基础。     

悬置式3自由度并联机构的精度分析

建立了悬置式3自由度并联机构的位置逆解模型;依据全微分理论建立了机构的误差模型,得到了该机构的输出位姿误差与各原始误差源之间的映射关系,对于给定的各结构参数和驱动误差,应用此模型可求出机构的输出位姿误差,为实际误差补偿提供理论依据.     

基于加权广义逆求解被动过约束刚-柔耦合并联机构的受力问题*

提出一种直接应用力映射矩阵的加权广义逆求解一般被动过约束并联机构(指分支提供给动平台的约束力/力偶数目大于等于1的被动过约束并联机构)的超静定受力问题的方法。基于小变形叠加原理和螺旋理论得到了分支约束力螺旋系刚度矩阵的一般表达式。推导一般被动过约束并联机构的各分支约束力螺旋系幅值与六维外力之间的映射关系式,进而证明了该关系式恰好是力映射矩阵的加权广义逆,其中加权矩阵为各分支约束力螺旋系刚度矩阵组成的分块对角阵的逆。以3-RRC空间三自由度被动过约束并联机构和一个并联振动平台为例,直接应用加权广义逆求解了机构各分支约束力螺旋系的幅值,并进行仿真验证。基于加权广义逆求解被动过约束并联机构的超静定受力问题大大简化了求解过程且解的形式统一、简单。     

轮-腿复合式移动机器人球面并联腿机构的动力学模型

为适应现代工程领域对移动机器人的新要求,拓展移动机器人的作业场合,该文提出了一种轮-腿复合式移动机器人球面并联腿机构。首先,基于球面并联腿机构的闭环约束方程和旋转变换矩阵构建了其位置逆解数学模型;接着,采用代数消元法推导出了球面并联腿机构的位置正解的解析解;然后,运用影响系数法推导出了球面并联腿机构的速度和加速度影响系数矩阵;在此基础上,运用拉格朗日方法建立了球面并联腿机构的动力学模型。运用数值仿真对运动学和动力学模型进行了验证,仿真得到了给定位姿数据与计算位姿数据之间的最大误差为0.012 7rad,误差不超过实际值的2.43%,发现了球面并联腿机构驱动力的理论曲线和虚拟样机仿真曲线吻合,两者之间的误差稳定在0～1N的合理范围内,验证了运动学和动力学模型的正确性。研究结果为轮-腿复合式移动机器人的步态规划和运动控制提供了理论参考。     

3-PRC并联机构的运动学分析

讨论了具有3平移自由度的3-PRC并联机器人机构的运动分析.基于机构运动约束方程,通过坐标变换证明机构的平移运动规律,给出机构位置逆解的解析表达式;并且建立了3个输出运动参数与3个运动输入参数之间的速度和加速度关系的显示数学模型,得到机构速度、加速度正逆解,且逆解给出2种形式,理论分析及算例仿真表明2种形式解的等价性.     

Stewart平台运动学分析与仿真研究

以Stewart平台为研究对象,采用矢量法建立了逆运动学模型,对其位置、速度和加速度进行了分析。采用Newton-Raphson迭代法对该平台运动学正解进行了分析,该方法可以迅速求解,满足控制的实时性要求。机构的运动学模型为该机构作进一步的动力学分析及优化设计研究打下基础,并为系统控制提供理论依据。最后通过建立虚拟样机,进行了运动学和动力学仿真,据此选出了满足实际需要的电机和电动缸。     

一种新型三自由度并联机构的奇异性分析

提出了一种新型三自由度空间并联机构,根据螺旋理论分析了该机构的运动平台只能实现三维移动.利用坐标变换法建立了机构的位置和速度解析方程,并根据正、逆雅克比矩阵系统分析了机构的奇异位形.     

一种3-CRCR/RPU对称并联机器人机构工作空间及运动学分析

提出一种新型对称3-CRCR/RPU并联机构,借助修正的Kutzbach-Grübler公式,结合螺旋理论进行分析,该机构具有4个自由度。根据几何约束条件列写矢量方程,以解析解形式给出该机构的运动学正解和逆解,基于逆解对机构速度和加速度进行分析,对机构雅可比矩阵分析知,该机构不含奇异位形且部分解耦。应用ADAMS软件建立仿真模型,验证运动学模型的正确性。根据机构各关节限制约束条件给出其工作空间,得出机构具有类斜六面体的α-β-z位姿子空间。最后,研究机构结构参数对工作空间的影响,并基于改进后的全局性能指标ηJ研究不同结构参数下机构整体性能分布,从而为该机构的空间轨迹规划、结构设计的优化问题提供参考。     

6-PPPS正交六自由度并联机构的位置正反解

针对一种新型6-PPPS并联机构,提出方向余弦阵法进行位置正反解的解析求解。利用机构运动副的运动参数构建并联动平台的方向余弦阵,通过添加约束条件,得到唯一的反解,同样方法可得出所有从动移动副的运动参数。根据方向余弦阵的性质构建约束方程,利用Maple软件辅助求得8组解析正解。根据球铰的约束,发现该机构实际正解唯一,给出了唯一正解的求取方法。     

空间3-SPS/S对顶双锥机构的运动学分析

提出了一种能实现空间三维转动的并联机器人机构--空间3-SPS/S对顶双锥机构.该机构的动平台与基座通过移动副和约束分支连接,具有3个SPS驱动分支.位于动平台与基座上的3个球铰中心分别与中间球铰中心构成正三棱锥结构,机构成为由中间球铰连接的对顶双锥机构.这样的结构特点使该机构位置正解得到简化,获得了完全封闭形式的位置、速度、加速度正反解;计算量小,便于运动轨迹规划和驱动力实时控制.该机构可用作机器人的肩、腕、踝等关节,也可用于卫星天线和摄像定位装置.给出了该机构一般输入时工作平台的位置、速度及加速度的对应关系曲线,描述了该机构的运动学特性.     

基于QR分解的少自由度并联机构运动学及刚度分析

基于矩阵QR分解,提出一种具有通用性的少自由度并联机构运动学建模方法,建立少自由度机构正、逆一二阶影响系数矩阵,同时得到了少自由度并联机构操作端的速度、加速度的约束方程及一二阶约束矩阵。基于虚功原理,建立少自由度机构的柔度模型,并在此基础上推导出少自由度并联机构在各维方向刚度表达式。分析3RPS机构的运动学输出的耦合性,建立其柔度模型及方向刚度模型,并验证了此机构的结构约束对运动学的影响。通过机构在移动方向刚度及转动方向刚度的球面坐标分布,直观地描述少自由度并联机构的结构约束对其刚度性能的影响。     

Kinematic Solution of Spherical Stephenson-Ⅲ Six-bar Mechanism

A closed-form solution can be obtained for kinematic analysis of spatial mechanisms by using analytical method.However,extra solutions would occur when solving the constraint equations of mechanism kinematics unless the constraint equations are established with a proper method and the solving approach is appropriate.In order to obtain a kinematic solution of the spherical Stephenson-III six-bar mechanism,spherical analytical theory is employed to construct the constraint equations.Firstly,the mechanism is divided into a four-bar loop and a two-bar unit.On the basis of the decomposition,vectors of the mechanism nodes are derived according to spherical analytical theory and the principle of coordinate transformation.Secondly,the structural constraint equations are constructed by applying cosine formula of spherical triangles to the top platform of the mechanism.Thirdly,the constraint equations are solved by using Bezout’ s elimination method for forward analysis and Sylvester’ s resultant elimination method for inverse kinematics respectively.By the aid of computer symbolic systems,Mathematica and Maple,symbolic closed-form solution of forward and inverse displacement analysis of spherical Stephenson-III six-bar mechanism are obtained.Finally,numerical examples of forward and inverse analysis are presented to illustrate the proposed approach.The results indicate that the constraint equations established with the proposed method are much simpler than those reported by previous literature,and can be readily eliminated and solved.     

一种新型弱耦合三平移并联机器人机构及其运动学分析

提出一种弱耦合2RRPaR+PPaP三平移操作机器人机构,分析了机构的自由度及拓扑结构特征;推导了机构的正逆解方程以及速度、加速度模型,根据速度雅可比矩阵,分析了机构的奇异位置;根据机构的逆解方程和主要约束,采用三维极坐标边界搜索法绘制了机构的工作空间三维实体图和截面图;由ADAMS三维模型仿真和运动正解方程计算所得的位移、速度、加速度曲线基本一致,验证了运动方程的正确性。该机构解耦性好、结构简单、运动灵活,在纵向移动方向上具有部分解耦和工作空间大的优点,适合用作生产线自动操作手机构。     

一种新型3-RPC柔性精密平台设计与分析

基于3-RPC并联机构提出一种由压电陶瓷驱动的新型3-RPC柔性精密平台模型,并在初始构型的基础上对移动副、圆柱副、连接运动副的连杆等进行结构的优化设计,然后采用有限元法对相同尺寸的初始构型和优化后构型进行静力学分析;采用齐次变换法,建立该机构位置正反解表达式,得到柔性精密平台压电陶瓷驱动的柔性移动副输入与上平台微位移输出之间的关系,并进行有限元软件的加载试验,验证正、反解结果;根据设计原理,得出该精密平台的原理误差,计算出功能方向与非功能方向的位移误差,同时对比输出位移和误差大小,用有限元法验证理论分析结果的正确性。研究结果表明柔性精密平台具有运动解耦,结构紧凑,控制方便的特点,具有较好的应用前景。