空间光学镜并联指向机构优化

针对空间光学镜指向机构高精度、轻量化的特殊要求,提出一种基于球面5R机构的新型空间二维并联指向机构。传统球面5R并联机构存在负载不便安装的问题,通过设计非对称支链形式和特殊连杆结构,有效解决了这一问题。基于机构的运动学分析,以工作空间、灵巧性和承载能力作为优化指标,采用图谱法对机构的结构参数进行了优化设计。采用有限元方法对优化后机构的不同负载布置形式进行模态分析。优化结果表明非对称支链形式机构具有更好的灵巧性指标。设计光学镜负载质心位于球面机构球心处,结构更加紧凑,可以提高机构固有频率,并且能够降低负载运动转动惯量。提出的新型空间光学镜并联指向机构具有良好的综合性能,研究为高精度并联光学指向机构的应用提供了理论基础。     

一种空间光学镜并联指向机构优化设计

目的：针对空间光学镜指向机构高精度、轻量化的特殊要求,提出一种基于球面5R机构的新型空间二维并联指向机构。方法：传统球面5R并联机构存在负载不便安装的问题,通过设计非对称支链形式和特殊连杆结构,有效解决了这一问题。基于机构的运动学分析,以工作空间、灵巧性和承载能力作为优化指标,采用图谱法对机构的结构参数进行了优化设计。采用有限元方法对优化后机构的不同负载布置形式进行模态分析。结果：优化结果表明非对称支链形式机构具有更好的灵巧性指标。设计光学镜负载质心位于球面机构球心处,结构更加紧凑,可以提高机构固有频率,并且能够降低负载运动转动惯量。结论：提出的新型空间光学镜并联指向机构具有良好的综合性能,研究为高精度并联光学指向机构的应用提供了理论基础。     

一种新型闭环支链冗余并联机构

冗余驱动并联机构因具有更好的刚度和良好的力操作性,已越来越多应用于实际生产中。基于3-RPS并联机构,提出一种支链为五杆闭环结构的冗余型并联机构;通过对闭环支链结构和运动的分析,结合数学推导和Matlab,进一步分析了机构整体运动学性能;并根据运动学结果,分别对比引入冗余支链和未引入冗余支链下机构的工作空间情况。结果表明,引入冗余支链会使机构工作空间有所减小,总体减小量达20%左右,但由于机构刚度增加,在满足工作空间条件下,该机构依旧具有明显优势,也为今后冗余驱动并联机构的研究提供了一种新的构型和理论依据。     

空间2自由度冗余驱动并联机构运动学性能分析

面向建筑机器人领域的高性能机械臂需求,提出了一种空间2旋转自由度的3-UPS&U冗余驱动并联机构。基于螺旋理论和修正的G-K公式对机构的整体自由度进行分析,确定了其围绕恰约束支链万向副旋转的运动特性。建立驱动参数与末端参数之间的映射关系,得到其工作空间模型。通过主驱动并联、从动约束串联的独立建模,构造了该并联机构完整的广义雅可比矩阵,进一步得到动平台末端中心点线速度与驱动关节速度之间的无量纲化雅可比矩阵,并据此建立了特定工作空间下机构的灵巧度、承载能力和刚度性能评价指标。最后结果表明,3-UPS&U冗余驱动并联机构进行较高频次上下摆动作业时,在约束支链所布置的对应转轴方向上,具有更佳的综合运动学性能,且能大大降低性能衰减的幅度。     

基于球面并联机构的检测平台设计与性能研究

为提高光电产品自动视觉检测的准确性,研制了一种含冗余驱动支链的4SPS/S球面并联调姿平台样机。含冗余驱动支链的4SPS/S并联机构为调姿平台机构本体,具有绕动平台中心点的3个转动自由度,可以实现待检零件任意角度图像信息的获取。建立了该并联机构的运动学模型,导出了机构位置逆解方程和雅可比矩阵;基于雅可比矩阵的秩讨论了机构的奇异性,并验证了冗余驱动支链能消除机构内部奇异;基于雅可比矩阵的非冗余分解,提出了一种评价冗余驱动并联机构力传递性能的指标。分析机构动定平台球铰安装方式对机构运动学性能的影响,得到了机构姿态空间体积大、灵巧度好的动定平台球铰安装方式;设计制作了球面并联检测平台样机,分析并绘制了样机姿态空间以及灵巧度、力传递性能在姿态空间内的分布。结果表明,样机转动空间大,无内部奇异,灵巧度和力传递性能高且分布均匀,能满足光电产品瑕疵检测的工艺要求。     

动/静平台非一致型并联机构构型分析及设计方法

针对动/静平台非一致型并联机构的设计需求,提出一种基于尺度综合的机构构型设计方法。根据拓扑结构设计理论对目标自由度并联机构支链进行构造;确定平台联结铰点的数量及类型,对机构进行初步设计及动平台自由度校核;以一种五自由度动/静平台非一致型并联机构为例,运用一次尺度综合对机构尺寸参数进行一次改进,建立机构初步模型;定义冗余支链和角部支链,通过二次尺度综合对冗余支链位置进行二次改进,完成机构所有尺寸参数的计算,给出机构的整体模型;与相似尺寸下、相近工作空间内Stewart机构的局部传递指标图谱进行对比分析,该机构具有良好的运动/力传递性能,验证了所提出的并联机构构型设计方法的正确性和可行性。     

驱动器布位及冗余驱动对Tricept并联机构性能的影响

分析驱动器布位及冗余驱动对3自由度Tricept并联机构性能的影响,针对18种冗余及非冗余驱动方式,导出相应的机构雅可比矩阵及刚度矩阵.结合运动灵活度、最大和最小刚度指标在机构位置空间中部断面上的分布特点,对不同驱动器布位及冗余驱动方式下的机构性能进行分析对比,并以此为基础提出兼顾运动灵活度及刚度特性的机构驱动方式.分析表明,冗余驱动对UPS支链主动关节均为移动副的Tricept并联机构的灵活度与刚度影响较小,但可显著改善主动关节均为转动副机构的运动灵活度及刚度特性,因此可在UPS支链主动关节均为转动副的Tricept并联机构中,通过增置冗余驱动器获得较佳的机构性能.     

一种3T1R并联机构设计及运动学性能分析

设计了一种能实现三维移动和一维转动的4自由度并联机构。分析了机构的拓扑结构及自由度特征。建立了机构位置正反解数学模型,并采用二维搜索法进行数值验证。分析了机构的工作空间、雅可比矩阵以及机构的奇异位形特征。设计了SPS和RRR两种冗余驱动支链,结果表明RRR冗余支链可在保持机构工作空间不变的前提下,有效消除机构的内部正解奇异。     

新型3-DOF冗余并联机构运动学和工作空间分析

因具备更高刚度、更好动力学性能等特点,冗余驱动并联机构越来越多地应用于各行业中。提出一种支链为双滑块结构的3-DOF冗余并联机构,基于位置正、反解分别推导了机构的运动学方程,并结合反解方程和MATLAB对机构进行运动学仿真,绘制了驱动位移、速度曲线;结合运动学分析结果与正解方程对机构工作空间进行分析,绘制了机构三维工作空间;运动学、工作空间分析结果表明,机构在工作空间内运动平稳,无位移、速度突变等情况,且工作空间关于XOZ面具有良好的对称性;研究结果为该构型冗余并联机构的实际应用提供了基础。     

含冗余驱动支链4-UPS&UP并联机构的运动学性能分析

分析含冗余驱动支链4-UPSUP并联机构的运动学性能,该并联机构由著名的Tricept机器人并联模块3-UPSUP机构增加一条无约束驱动支链所得。因冗余驱动支链的引入,该并联机构比3-UPSUP机构拥有更高的承载能力和更好的静、动态性能。在建立4-UPSUP机构的位置逆解模型和7×6广义雅可比矩阵的基础上,得到驱动关节速度到动平台参考点线速度的4×3量纲一雅可比矩阵,并据该矩阵的条件数提出局部运动学性能评价指标。最后,在同尺度下对4-UPSUP和3-UPSUP并联机构的运动学性能进行了对比分析,得到前者运动学性能优于后者的结论。     

(2PRR)~2+R平面并联机构的刚度与固有频率

基于两移动一转动三自由度平面并联机构构造了一种新型五自由度串并混联机器人并对其并联部分,一具有运动冗余和驱动冗余两种不同模式的平面并联机构(2PRR)~2+R进行了运动学分析。首先,建立了三自由度平面并联机构的运动学模型,基于机构的运动学模型推导得到了冗余和非冗余驱动并联机构的刚度矩阵,并且通过求取并联机构各组成构件的等效质量,得到并联机构的质量矩阵;然后,借助系统刚度矩阵和质量矩阵建立的并联机构动力学方程,求得了机构的固有频率方程;最后,通过数值仿真对冗余和非冗余驱动并联机构的刚度及固有频率进行对比分析。结果显示:冗余驱动分支对机构绕Z轴方向角刚度和系统的一阶固有频率均值影响最大,其增幅分别为88.46%和31.50%;对X轴方向的线刚度和系统的二阶固有频率均值影响最小,其增幅分别为52.34%和1.90%。因此,冗余驱动分支有助于提高并联机构的整体刚度,改善机构的动态性能。     

消除内部奇异的三平移并联机构冗余驱动支链的综合

对三平移并联机构(3T并联机构),提出一种冗余驱动支链的综合方法。采用螺旋理论,分析出3T并联机构发生内部奇异的所有可能情况;根据螺旋系线性相关性和并联机构不发生奇异的条件,系统综合出能消除3T并联机构内部奇异的冗余驱动支链类型,并针对不同的支链约束螺旋系和自由度,分别给出相应的冗余驱动支链位置和条数;利用该方法对消除3-RRUR内部奇异的冗余支链进行综合。研究结果表明,该方法简单、有效并可消除3T并联机构内部奇异。     

基于非瞬时支链位形设计的并联机构内部奇异消除方法

引入新支链的冗余驱动方法是目前减少或消除并联机构奇异的有效方法,如何确定所引入支链的结构形式、布置方式和最少支链个数是该冗余驱动方法的核心问题,然而关于这些问题至今尚没有系统的理论和方法。依据螺旋理论系统分析并联机构的约束奇异、驱动奇异和支链奇异三种奇异位形,强调位于工作空间内部的约束奇异和驱动奇异位形是对机构性能影响最为严重的位形,提出一种基于非瞬时支链位形设计的并联机构内部奇异消除方法,以3-RPR型、3-RRR型、4-RPTR型、3-RRRT型和3-RPS型等五种典型的并联机构为例,系统阐述该方法的设计过程。结果表明除了动平台和基平面重合的位形以外,该方法能够消除并联机构的其所有内部奇异位形。该成果为解决冗余驱动方法的关键理论问题提供了参考。     

平面结构冗余并联机构的误差敏感度分析

针对一种含闭环支链的平面结构冗余并联机构进行误差敏感度分析。分析了该机构的逆运动学和正运动学。基于矩阵法建立了机构的误差模型，并通过反解、正解结合的方法对该误差模型进行了验证。基于误差模型，得到了评价机构误差敏感度的指标，绘制了各指标在工作空间内的等值线图。基于误差敏感度指标，定义了低误差敏感性工作空间，绘制了低误差敏感性工作空间在工作空间中的分布图。与平面3-RRR并联机构进行了误差敏感度对比分析。结果表明，该机构的低误差敏感性工作空间占比较大，同时可以通过调节其冗余支链不断扩大低误差敏感性工作空间，使机构在大范围空间中保持低误差敏感性。     

两转一移冗余驱动并联机构构型综合新方法研究

在铣削、钻铆、焊接等领域需要2R1T三自由度执行机构,特别是在高刚度、大工作空间、良好驱动稳定性等场合需要引进冗余驱动来改善2R1T并联机构的性能,为此基于Grassmann线几何和图谱法提出了一种系统有效且简单实用的2R1T冗余驱动并联机构构型综合新方法。根据机构的运动模式确定动平台的自由度线图,然后根据对偶法则得到动平台约束线图,通过在动平台约束线图增加冗余线得到冗余约束线图及其等效线图,根据支链约束分配原则将其分为7种方案;采用图谱法基于约束方案构造相应支链,并根据支链选取和配置准则综合机构的初步构型,每种方案分别综合了12、67、96、0、12、48、16种新构型,共综合出251种新构型,其中包含了一些文献所提出的2R1T冗余驱动并联机构;通过图谱法对已综合机构进行瞬时性分析,发现方案1和方案2所综合机构具有瞬时性,提出将该类机构中的一对平行力约束共轴布置的改进方法可消除其瞬时性,通过瞬时性分析验证该综合方法的可行性和合理性。该方法同样适用于4、5、6自由度冗余驱动并联机构构型综合。     

基于Lagrange方程的3RPS/UPS冗余驱动并联机构柔顺控制

并联机构增加冗余驱动支链可提高其力学和运动学性能,但增加了其控制复杂程度。为实现冗余驱动并联机构的有效控制,推导了3RPS/UPS冗余驱动并联机构各支链的运动协调性方程。基于虚功原理,推导了3RPS并联机构Lagrange动力学方程,由此建立了机构的鲁棒性轨迹跟踪控制模型。确立了冗余驱动支链的动力学方程,由此建立其目标阻抗控制模型。采用模糊PID控制策略对冗余驱动支链目标阻抗模型进行实时内力跟踪,保证支链的内力控制在合理范围之内,实现了对冗余驱动并联机构的柔顺性控制。通过仿真分析验证了控制策略的有效性。     

三自由度冗余驱动飞行模拟器设计及分析

提出一种三转动自由度冗余驱动飞行模拟器。在3-RRR球面并联机构的基础上,通过球面平行四边形机构的引入而实现冗余驱动,从而克服电机驱动相对于液压驱动功率相对较小的缺点。将一般3-RRR球面并联机构的参数进行变化,从而设计出体积相对较小的运动机构。利用空间球面解析理论建立了各支链的方向余弦,在方向余弦建立的基础上给出机构的雅可比矩阵。利用支链夹角不变原理建立了机构的约束方程,进行了运动学反解分析。考虑球面平行四边形冗余驱动支链的干涉情况,根据向量叉积定理计算得出了输入转角范围,并通过一种数值正解算法计算得到机构给定输入参数的工作空间。分析结果表明,在给定特定结构参数的情况下,所提出的飞行模拟器具有转角大的优点,远远大于传统的Stewart机构,从而为飞行模拟器的实际应用提供一种新的选择。     

2T1R并联机构的运动学及工作空间分析

针对并联机构兼具误差小、精度高的特点,提出一种含1条冗余支链的新型2T1R双层并联机构。首先,构建坐标系,基于螺旋理论对机构的自由度进行分析,得出该机构具有3个自由度的结论,其中一条支链为冗余支链。其次,根据机构的运动特性,建立机构的运动学正解和逆解模型。通过具体的数值算例得出运动学正解模型的变化曲线和逆解的数值结果。将理论计算结果与ADAMS仿真结果进行对比分析,验证了所构建运动学模型的正确性。最后,进行机构的工作空间分析,得到动平台Ⅱ能显著扩大z向的工作空间和姿态角大小。该研究为机构的构型设计及实际应用提供理论依据。     

一种新型低耦合度3T1R非全对称并联机构的刚度性能分析

具有空间三平移一转动(3T1R)功能的并联机器人操作手,因其具有工作空间大、易实现高速、成本低等优点,在工业上获得广泛应用。针对作者提出的一种新型3T1R非全对称并联机构进行了刚度性能分析。首先,对该机构进行了拓扑结构的描述;其次,基于虚拟弹簧法建立了每条支链的刚度模型并求解其刚度矩阵;然后,对机构笛卡尔刚度矩阵中扭转刚度和线性刚度的变化趋势进行了分析,并讨论了冗余支链对整体刚度性能的影响;最后,结合ANSYS的有限元分析对该方法的计算数值进行了验证。研究结果为该并联机器人操作手的结构设计、样机研制奠定了基础。     

3-UPS/RPP并联机构设计与运动特性研究

设计了一种可以实现两移一转的新型3自由度并联机构3-UPS/RPP。该结构在传统的3-UPS结构基础上加入了一条RPP结构的约束支链,应用螺旋理论分析约束链得知,该3-UPS/RPP并联机构可实现平面内的一维转动和二维移动。在自由度分析的基础上,构建了3-UPS/RPP并联机构的运动学模型,通过对驱动支链和约束支链的分解分析,给出了3-UPS/RPP并联机构位置逆解的解析表达;随后,基于位置逆解结果,确定了工作空间的搜索流程,并据此在Matlab软件中求解了该机构的工作空间;最后,对该3-UPS/RPP并联机构进行了运动学控制仿真。结果表明,系统具有较高的动态轨迹跟踪控制精度,适用于实际应用。