并联3-2-1结构新型微操作手及其承载能力分析

以并联6-PSS 3维平台机构为原形，用柔性铰链替代球铰，用柔性框架替代直线移动副，设计了一种新颖的并联3-2-1结构的6自由度微操作手。介绍其结构特点，推导出输入输出微位移方程并对其承载能力进行分析，为其设计和使用提供理论依据。这种微操作手具有分辨率高，微位移解耦，算法和控制简单等优点。     

结构解耦6-PSS并联微操作平台的研究与开发

利用并联微操作机构的构型原理，提出了结构解耦6-PSS并联微操作平台新机构，描述了微操作平台的运动学模型、静刚度模型、一体化结构模型、几何误差模型和标定策略，研制了微操作平台样机，给出了其测试结果。研究表明，该并联微操作平台的结构解耦及一体化结构是成功开发的关键，为微操作平台机构构型和结构设计提供了新思路。     

新型3-RPC柔性精密平台的刚度与动力学分析

提出了一种新型空间柔性并联精密平台,该平台采用压电陶瓷驱动方式,通过单自由度柔性铰链的弹性变形实现末端执行件3个方向的运动;采用柔度矩阵变换法,建立了该柔性精密平台的刚度模型,并用有限元方法对刚度模型进行了验证。在此基础上,讨论了柔性铰链结构参数对平台刚度的影响规律;采用拉格朗日法建立该平台的动力学方程,利用有限元对其进行了模态分析,讨论了3组不同柔性转动副结构参数对微动机构自然频率的影响。     

三支链六自由度并联柔性铰微动机器人的研究

提出了一种过程中采用的新型三支链六自由度并联微动机器人结构。采用两端分别带有柔性球铰和柔性旋转铰的支杆以简化结构,整体加工包含三个二自由度单元的基平台来有效减小装配误差,并用压电陶瓷驱动弹性平板获得高分辨率高精度。根据运动影响系数理论对其运动学进行分析,求出了其平动台、支杆和柔性铰链的速度表达式。考虑柔性铰链的弹性变形,基于虚功原理建立了其刚度模型。 分析了此类并联微动机器人的设计目标和柔性铰链设计原则,采用模块化精密定位控制器设计了控制系统。实验结果表明,所设计的微动机器人可达到纳米级精度, 简化了六支链六自由度并联微动机器人的复杂结构,减小了装配误差。     

光器件封装运动平台的柔性铰链设计与分析

在应用于光器件封装中的六自由度柔性并联运动平台中,柔性铰链的性能是制约运动平台大行程和高精度的重要因素。根据卡氏定理和Lobatto求积公式,建立圆角直梁型柔性铰链力学模型,推导出铰链的柔度矩阵。同时提出了评价柔性铰链性能的参数,即转动能力θ和转动精度σ。在此基础上,计算并分析了圆角直梁型柔性铰链的结构参数L、d、r对其转动能力θ和转动精度σ的影响,并通过有限元分析法进行验证。结果表明,提升L和r、降低d可以提升柔性铰链的性能,为运用于光器件封装的柔性并联运动平台设计提供了有力依据。     

新型六自由度微动并联机构的工作空间分析

在实现天文光学镜面毫米级行程位姿调整和微纳米级精密定位中,基于全柔性铰链的新型3SPS+3(SP-U)六自由度并联机构的工作空间主要由柔性铰链相对较小的回转空间所定义。分析了3SPS+3(SP-U)并联机构运动自由度及其部分自由度解耦特性,并根据实物样机的几何参数建立了其运动学逆解模型。在此基础上,基于柔性铰链回转空间及支链行程范围,采用搜索法分析了其工作空间,并采用激光跟踪仪对样机的工作空间进行了实测。理论计算和实测结果验证了该机构动平台中心点的平动位移空间可达±3 mm,转角空间可达±1°,确保了其在应用中具有足够的工作范围,达到了设计目标。     

Y型柔性铰链的设计与实验

为设计一种高精度、结构简单的大变形柔性铰链,提高并联平台的运动精度和零件使用寿命,本文提出了一种Y型柔性铰链。首先,借助ANSYS和ADAMS进行柔性铰链的回转中心、安装方式和行程要求的分析研究。接着,利用数控机床进行柔性铰链的加工制作。然后,利用光学坐标测量仪OPTOTRAK进行柔性铰链的轴漂测量实验。最后,进行了转动副并联平台、单片簧柔性铰链并联平台和Y型柔性铰链并联平台的圆轨迹实验。实验结果表明:Y型柔性铰链回转误差最大值为0.5962mm,Y型柔性铰链并联平台圆轨迹的误差最大值比转动副并联平台减小了42.7%。Y型柔性铰链可以很好地替换并联平台中的转动副,提高并联平台运动精度。     

新型3自由度并联机构的设计与分析

基于机构的概念,将一种正方体折纸盒折痕等效为铰链,连接折痕的纸板等效为连杆,抽象出新型3自由度并联机构.该新型并联机构由定平台、动平台和4个连接支链组成,各支链结构完全相同,且都含有1个具有特殊结构的六杆球面变胞机构闭环子链.介绍此新型并联机构结构设计,其特点是结构完全对称,只含有单自由度转动运动副.详细描述各支链中闭环子链的结构特点、一般构态及其自由度数.应用螺旋理论,分析运动支链中闭环子链的自由度特性.根据广义运动副的概念,用广义运动副替代各支链中的六杆球面变胞机构,并分析各运动支链末端约束.依据该并联机构的结构对称性,分析其动平台的自由度数和相应的自由度特性,得到动平台相对于定平台具有2个转动和1个移动自由度,并具有连续转轴.     

一种新型正交结构6-PPPS并联机构及其运动学解耦性研究

提出一种正交结构六自由度并联机构,建立了运动支链的位置矢量方程,推导出速度正解和反解方程.定义了并联机构的运动解耦,分析了该正交结构六自由度并联机构在不同姿态的运动解耦性能.并联机构运动解耦能够简化其运动学模型,为其运动学标定和控制带来方便.     

新型3-PRC柔性并联微操作平台的研究

采用压电陶瓷作为驱动器设计了一种带有二级杠杆放大机构的3-PRC柔性并联微操作平台,该平台能实现空间三自由度的微小平移运动,放大机构的理论与有限元仿真分析放大倍数分别为8.772和8.245。首先采用矢量法建立了该机构的运动学模型,得到了其运动学正、逆解和雅克比矩阵。然后利用MATLAB软件分析并绘制了平台的工作空间,最后对机构的解耦性进行了理论分析并利用有限元软件进行了验证。结果表明该机构的耦合性误差小,可以实现空间三自由度微纳米级别的运动,具有较大的运动空间和良好的运动解耦性。     

并联微动机构的柔性设计

由于并联微动机构应用在特殊场合,故对其定位精度提出了极高的要求.运动副的间隙和摩擦是影响机构精度的主要因素,提出了采用无间隙、无摩擦的柔性铰链作为微动机构的运动副.通过分析柔性铰链结构尺寸与性能的关系,合理选择了铰链材料和几何尺寸.并以带柔性铰链的Stewart六自由度平台为设计实例,证明了柔性铰链在微动机构中的应用是成功的.     

基于柔性铰链的微操作执行器的设计和分析

为了满足微型机电系统研究和测试的要求，设计了一种压电驱动的基于柔性铰链的微操作执行器。该微操作执行器采用组合杠杆原理将压电驱动器的微小位移放大。用简化方法和有限元方法分别对该柔性铰链微操作执行器进行了分析，发现简化方法可以用在初步设计中，而最终需要用有限元方法进行校验。在柔性铰链微操作执行器的设计中，加强杠杆的支点和杠杆臂的刚度，能有效地提高系统的运动放大倍数，并且使简化分析的结果和有限元分析结果更接近。     

一种新型柔性铰链的设计、制作与试验研究

设计高精度的大变形柔性铰链,用以替代传统刚性运动副,对于具有一般宏观运动的机构及机器人具有重要理论和现实意义。提出10种柔性铰链设计方案,利用ANSYS和ADAMS仿真,通过性能比较优选出X型和Y型两种新型柔性铰链,再经过结构设计并加工制作出两柔性铰链,利用3D光学坐标测量仪OPTOTRAK对其进行轴漂测量,通过试验数据分析最终确定性能最优的X型柔性铰链,用其替换平面3-RRR并联机器人上的刚性转动副,进行了机器人动平台沿直径为100 mm圆运动的轨迹跟踪试验,并与单片簧柔性铰链及刚性铰链情况对比,试验结果表明:X型柔性铰链能够很好地替代并联机器人中的刚性转动副,采用X型柔性铰链时机器人末端最大误差仅为0.371 7 mm,比用刚性运动副和单片簧柔性铰链时分别减小了44.2%和31.1%,较大程度上提高了并联机器人的运动精度和综合性能。     

面向激光微纳加工的柔性XY平台设计与分析

针对激光微纳加工设备中传统机械式的微位移机构运动方向单一而柔性铰链本身驱动又存在驱动位移小的问题,设计了一种柔性大行程完全解耦的XY微纳运动平台;推导了杠杆位移放大器的放大比率模型,通过粒子群优化算法对运动平台的尺寸进行优化分析。运用ANSYS分析软件,对所设计平台的静力学、动力学性能进行分析。仿真结果表明:该平台具有良好的解耦特性,能够满足机构的两自由度运动解耦要求。     

一类新型六自由度并联机构及其结构分析

对一类新型六自由度并联机器人机构的结构组成及其结构特性（包括机构运动自由度计算、运动输出特性、运动学与动力学复杂性、输入-输出运动控制解耦性、驱动器可配置性等）进行了详细的分析,为其运动学和动力学分析、机械结构设计及其在虚拟轴机床、坐标测量机、娱乐运动平台和机器人等并联运动装备中的潜在应用打下基础。     

新型3-UPU柔性微操作平台的设计与分析

基于柔性铰链设计了一种新型3-UPU并联微操作平台,该平台可以实现空间中的三自由度运动。该机构由三条相同的支链采用对称的方式与动、静平台相连,以压电陶瓷作为驱动装置并内置在桥式位移放大器中。通过理论计算和有限元仿真对放大器的放大比进行了误差分析,又对平台的相关性能进行了研究,结果表明该平台的设计可靠、合理。     

并联微操作机器人技术及应用进展

微/纳米并联微操作机器人技术是综合微/纳米技术和并联机器人技术迅速发展而形成的新研究方向,涉及精密机械、机器人、计算机、自动控制、精密测量等多学科领域,广泛应用于生物医学领域中的细胞与基因操作、精细外科手术、微电子装配、微细加工、光纤对接等领域。通过对当前国内外并联微操作机器人的研究状况、产品化应用以及实际应用等方面的发展态势进行详细地回顾,总结微/纳米级并联微操作机器人这一研究方向在工作空间、运动解耦性、承载能力、理论分析、柔性铰链设计、实时标定与测量、新材料、驱动等方面存在的问题,并提出改进意见,以期对该领域未来的创新设计以及发展研究产生一定的推动作用。     

手持式六自由度微操作器的设计

研究一种基于柔顺机构的医用微操作器应用于大脑、眼球和心脏等高难度器官手术,消除手术操作者的手部颤振,提高手术的精确度和成功率。首先进行了6-SPS型柔顺并联微操作器的机械设计,选择了双轴柔性铰链替代球铰,用平行导向四杆柔顺机构替代平动铰链并介绍了系统各部分的尺寸、作用和特性。随后对微操作器进行了运动学分析,简化了动静坐标系之间的旋转变化矩阵并完成了运动学逆向求解,得到了微操作器输入输出的逆雅可比矩阵。最后基于ANSYS软件进行了微操作器的静变形分析和模态分析,得到了不同输入位移下的末端执行器的输出,通过模态分析得到了微操作器的前6阶固有频率和模态振型,并对其动态特性进行了探讨。     

基于柔性铰链的大口径望远镜并联调整机构

为减小地基大口径望远镜在光学追踪过程中重力变形对成像质量的影响,设计了一种基于柔性铰链的高侧向刚度、亚微米精度并联调整机构。首先,介绍了系统组成并针对技术指标的要求,开展了两自由度柔性铰链设计。建立了柔性铰链并联机构的等效运动学模型和刚度模型,搭建了并联机构刚柔耦合运动学仿真系统,分析了柔性铰链对机构精度的影响。最后,搭建实验测试系统,来验证柔性铰链的设计合理性和并联调整平台刚柔耦合运动学分析的准确性。仿真和测试结果表明,柔性铰链转动刚度误差控制在3.54%之内,小位移（微米/角秒量级）运动精度达亚微米量级,大位移（毫米/度）运动精度与仿真结果对比误差控制在微米量级,机构侧向刚度优于60 N/μm,能够满足地基望远镜光学成像的要求。     

新型6自由度并联微动机器人微运动学及其运动解耦性分析

利用坐标变换法，建立了新型6自由度并联微动机器人的微运动学模型，并对其运动解耦性进行分析；采用不同的初始驱动位移量和驱动方式，对该机器人的有限元模型进行分析，进一步讨论了其微运动学上的解耦性，最后对研制的微动机器人样机进行了运动解耦性测试和验证。该并联微动机器人的运动解耦，为其动力学分析、控制及其标定的简化提供了理论基础。