2UPR/UPS/UP并联机构的动力学建模与仿真

以一种具有空间三自由度的2UPR/UPS/UP冗余并联机构为研究对象,根据机构的约束条件建立各支链的闭环约束矢量方程,求得机构的位置反解并得到雅可比矩阵. 根据运动学分析,得到3个驱动支链的变化规律,方便实现对机构的位姿控制. 在此基础上,利用虚功原理对机构的动力学进行分析,建立该机构的动力学模型. 最后,在典型工况下对机构的运动学和动力学分别进行Matlab算例仿真与Adams样机仿真,通过对比仿真结果验证运动学和动力学模型的正确性. 该方法为并联机构的设计和控制奠定理论基础,同时适用于类似机构的研究与分析.     

冗余驱动并联机构的性能特征及应用研究进展

冗余驱动并联机构是一类包含冗余驱动支链的特殊的并联机构.冗余驱动并联机构在工作空间、奇异位形以及刚度等性能方面有显著优势,但是也存在多自由度、非线性且耦合性强等缺陷.本文分析了冗余驱动并联机构的构型综合、刚度与稳定性、运动学与动力学、控制等性能特征,并探讨了冗余驱动并联机构在并联机床、医疗康复机器人以及移动机器人等领域的应用.为充分发挥冗余驱动并联机构的性能优势,需要进一步突破冗余驱动并联机构的解耦及优化等关键技术问题.     

2-UPR&2-RPU冗余并联机构动力学与功耗分析

提出一种新型2-UPR&2-RPU结构冗余并联机构,其具有两个转动以及一个移动(2R1T)自由度。运用螺旋理论分析机构的自由度及其运动特性,并利用修正的G-K公式验证分析的准确性,得出该机构含有一个冗余支链的结论。分析机构运动的约束条件,建立各支链的闭环矢量方程,求解得出机构的位置反解。基于符号运算的微分变换法对机构的速度和加速度进行分析,得到动平台速度雅克比矩阵和二阶影响系数矩阵,在此基础上进一步求解得出各支链的雅克比矩阵。运用虚功原理构建该机构的动力学模型,然后根据冗余并联机构驱动力配置方式不唯一的特点,采用驱动力二范数的优化方法推导得出驱动力和驱动功率方程。最后通过具体数值算例对所构建的运动学及动力学模型进行仿真。结果表明,在给定的运动规律的条件下,机构没有产生刚性冲击,在运动的起点和终点处,会产生一定的柔性冲击,整个运动过程驱动杆的驱动力变化平缓,驱动力二范数解所做总功为1143.2 J。     

无奇异3UPS+1RPU新型并联机构

为消除并联机构奇异性,研究一种约束支链法构成的新型并联机构.通过在3个UPS支链基础上添加1个RPU约束支链构成一种2转动2移动4自由度并联机构,采用矢量法和虚功原理对机构的运动学、静力学进行分析,得到机构的位置逆解、完整雅可比矩阵及静力映射矩阵;利用矩阵原理对雅可比矩阵进行分析,雅可比矩阵的秩反映了机构的奇异情况,推得约束支链对机构产生奇异性的影响结果.提出3UPS+1RPU并联机构消除机构奇异性的条件,进一步推广得到此条件同样适用于由约束支链法构成的其他非对称并联机构.结果表明,该研究方法为并联机构的奇异性消除提供了一种新途径.     

2(3-RPS)并串运动平台的奇异性分析

并串联机构相对纯并联机构能够增大工作空间,同时能够增加动平台的灵活性。以2(3-RPS)并串运动平台为例,给出了并串运动平台的力雅克比矩阵的推导方法以及发生奇异的条件。首先,基于螺旋理论,分析了上下3-RPS并联机构支链的运动螺旋系和约束反螺旋;然后运用互易积理论,得到了2(3-RPS)并串运动平台的完整运动雅克比矩阵,在此基础上,建立了该机构的静力平衡方程和力雅克比矩阵,发现该矩阵是由2个3-RPS并联机构运动雅克比矩阵的转置而联立组成的6×12矩阵。最后,通过分析力雅克比矩阵是否降秩,具体分析了2(3-RPS)并串运动平台的约束奇异、运动奇异以及混合奇异位形。     

Tricept并联机构的奇异性分析

奇异性是并联机构的固有属性,对机构的工作性能会产生不良影响,针对确定的并联机构应找出它的奇异位形.本文对驱动器分别布位于主动支链移动副和胡克铰2个转动副的3种驱动形式的Tricept并联机构的奇异性进行了分析.首先基于螺旋理论推导了机构各支链的运动螺旋系,利用互易积获得约束子矩阵和运动子矩阵,以此为基础建立了机构的完整雅克比矩阵.根据完整雅克比矩阵及线几何理论分析了Tricept并联机构的位形奇异条件,给出了3种驱动形式下Tricept并联机构的奇异位形,并分析了机构在奇异位形处的运动特征.     

一种冗余约束对并联机构精度影响的研究

为深入研究动平台中心点误差范围,以一种少自由度3-RPS／UPS冗余并联机构为研究对象,提出了一种改进的铰链间隙误差分析方法,分析了此并联机构球铰间隙对动平台中心点的影响,在此基础上提出了一种改进的误差分析方法,并对具有相同结构参数的3一RPS非冗余并联机构和具有冗余支链的3一RPS／UPS并联机构进行误差分析及计算,结果表明,冗余并联机构的误差空间在各方向上都比非冗余并联机构小,故冗余约束可减小误差,提高并联机构精度。     

少自由度变胞并联机构综合设计方法

为实现可重组并联机构的创新设计,提出基于基本支链构型的变胞并联机构设计方法.该方法从少自由度并联机构动平台所受的约束出发,运用螺旋理论中相逆螺旋的性质,构造约束螺旋为力或力偶的两类基本支链,并根据基本支链构型的特点构造变胞支链,实现并联机构的变胞设计.对构型相似的线矢力和力偶基本支链进行融合得到变胞支链,通过锁住不同运动副的方式实现变胞支链在两类基本支链之间转化,构造出动平台约束性质可变的变胞并联机构;根据基本支链约束螺旋的方向特点,通过改变运动副轴线方向的方式实现支链约束螺旋方向的改变,进而构造出动平台约束方向可变的变胞并联机构.用所提出的变胞并联机构设计方法,结合Bricard机构的单自由度运动特性,实现动平台为Bricard机构的变胞并联机构的构造.基于基本支链构型进行变胞并联机构构型设计,根据动平台的约束对变胞支链进行组合和变型,实现变胞并联机构的综合,为机构创新设计奠定基础.     

解耦三转动两平移并联机器人机构型综合

为了研究并联机构的运动耦合问题,基于螺旋理论和支链独立驱动原则提出了三转动两平移(3R2T)类解耦并联机构构型综合方法。首先根据期望3R2T解耦并联机构的运动特征(绕X、Y、Z轴方向的转动和沿X、Y轴方向的移动)和解耦并联机构的正逆雅可比矩阵必为对角阵的要求,利用螺旋理论来构造满足期望形式的正逆雅可比矩阵;其次根据正逆雅可比矩阵所要满足的条件,确定支链驱动副作用于动平台上的使动螺旋,再得到该使动螺旋对应支链上的表示驱动副的驱动螺旋和除驱动螺旋之外的其他运动螺旋系,据此可完成支链结构螺旋系的配置;最后根据并联机构构型原理依次取出五条支链连接动平台和定平台得到并联机构。综合的并联机构具有解耦特性,避免了运动耦合问题,具有一定的应用前景。     

欠驱动张拉整体并联机构的运动学求解方法

与传统刚性机构不同,张拉整体机构是一种由受压构件（杆）和连续受拉构件（索）构成的新型机构,具有质量小、惯性力低、柔顺性好、可折叠等优点。根据4杆12索张拉整体结构构型,设计一种4-SPS型空间张拉整体并联机构,由上平台、下平台、4根弹性支链和4根刚性驱动支链构成。根据机构位置关系,推导出各支链的矢量方程;考虑机构各刚性构件的质量,推导出静态平衡方程;对于欠驱动机构,存在欠约束自由度,运动学方程难以求解,由于静态平衡时机构势能最小,以最小势能法和位置方程联合求解机构的运动正反解,并采用变步长搜索法求解出逆解方程和正解数值解;最后,推导出平衡条件下机构的速度和加速度方程,并给出运动线图。     

一类对称三自由度移动多环耦合机构的构型综合

针对三自由度移动多环耦合机构开展构型综合,提出了通过添加耦合支链将并联机构向等自由度多环耦合机构转变的2个基本原则.根据这2个基本原则,基于三自由度移动并联机构3-(RRR)RR综合出有等自由度性质的一类对称多环耦合机构.首先,根据单闭环自由度公式确定耦合支链上运动副的个数.然后,为避免出现瞬时机构,分析耦合支链上运动副的种类.最后,通过对耦合支链的组装,综合出了一类具有一、二级耦合节点的对称三自由度移动多环耦合机构.     

并联机构运动学与奇异性研究进展

为了发展更多新型结构的并联机器人,克服传统并联机器人工作空间较小、奇异性与运动学正解分析复杂的缺点,针对并联机构运动支链结构形式,将并联机构分为杆支撑并联机构、绳牵引并联机构和钢带并联机构,并介绍了这3种并联机构的运动学原理.针对这3种并联机器人机构形式,从运动位置、工作空间、奇异位形3方面,对国内外并联机器人运动学与奇异性的研究现状进行详细的阐述.分析钢带并联机器人结构与驱动方式的特殊性,对钢带并联机器人在运动过程中由于钢带承载力有限导致失稳所带来的问题进行探讨.结果表明,并联机器人运动学与奇异性的理论研究方法还不成熟,需要从结构设计和理论2方面进行突破才能解决并联机器人发展的瓶颈问题,从而拓宽并联机器人的应用领域.     

空间3自由度冗余驱动并联机构的运动学分析

由n(n<6)条SPS主动支链和一条被动约束支链构成的并联机构结构简单而且承载能力更强,具有非常广泛的应用前景。以4-SPS/S结构的并联机构为研究对象,实现模拟船舶在海浪中的3自由度摇摆运动功能。运用螺旋理论分析4-SPS/S并联机构真实的自由运动特性。运用坐标旋转矩阵变换和矢量导数法,推导出并联机构位置逆解的解析表达式以及各主动支链和动平台的微分运动特性。运用杆长约束条件和Sylvester结式消元法,推导出该机构位置正解的解析解。仿真研究和实例验证结果表明,该机构具有4组位置正解,其中2组为实解,另外2组为虚解,验证了位置正解求解算法的正确性。     

混合驱动二自由度并联机构的动力学优化设计

基于Kane方法对混合驱动二自由度五杆机构建立了动力学方程,在此基础上进行了动力学逆问题的分析,探讨了影响主驱动功率和辅助驱动功率的因素.实现一组椭圆轨迹为实例,以混合驱动二自由度五杆机构辅助运动最大瞬时的驱动功率最小优化目标函数,无条件双曲柄的杆长条件约束条件,采用遗传算法进行了动力学优化设计,得到了主驱动功率与辅助驱动功率之间的最佳匹配关系.为实现混合驱动二自由度并联机构综合性能最优以及系统的最优控制了基础.     

3-RSR并联机构的微分运动学及动力学分析

对3-RSR并联机构的微分运动学及动力学进行了分析,根据支链的结构特征建立了动平台的运动约束方程,以此为基础导出了3-RSR并联机构封闭形式的速度和加速度公式.通过在球铰处将机构拆开,并利用支链上部杆件及动平台与支链上部杆件组合运动链的力和力矩平衡关系确定了球铰处的约束力.最后,由支链下部杆件的力矩平衡关系得到主动关节驱动力矩的解析表达式.     

一种新型混联手术机器人的运动学分析

根据手术机器人手术操作空间和运动特性要求,提出一种具有冗余8自由度的新型混联手术机器人结构.该混联结构由SCARA(PRR)串联机构和一个2自由度并联转动机构相结合而成.通过建立机器人正向、逆向运动学数学模型,解决了该机器人逆运动学解析解的问题,得到了运动学特征方程;运用蒙特卡洛法求解出机器人的工作空间云点区域分布,得到了由随机点构成的手术工作空间.理论分析和实际仿真结果表明该机器人结构具有良好的运动特性,并满足实际手术动作的工作空间要求,为手术机器人的详细结构设计提供了可靠的理论依据.     

2-UPS/RR并联髋关节助力机构及运动性能

为了帮助髋关节受损的患者完成行走运动,提出了一种适用于髋关节助力的2-UPS/RR并联机构.该机构不仅可以满足髋关节助力所需要的前屈/后伸、内收/外展、内旋/外旋运动,还可以保证机构的旋转中心与不同患者的髋关节旋转中心重合.计算了自由度,并应用解析法给出了机构的位置反解,建立了速度雅克比矩阵,通过对驱动参数的限定,求解了机构的工作空间.最后,基于雅克比矩阵,对比分析了分别驱动移动副和虎克副2根旋转轴时机构的运动学性能.结果表明:在规定的工作空间内驱动移动副时,机构具有良好的可操作性、运动灵活性和刚度特性.相比当前的髋关节助力机构,其结构简单,有效避免了支链间不必要的干涉,减小了整个机构的占用体积.设计的该机构适合髋关节助力训练.     

平面机构中的过约束

过约束广泛存在于各种平面机构中,并对机械系统性能造成了一系列有害影响;另一方面,在许多情况下,过约束及过约束结构也常常是机构及机械系统正常工作的必然的客观需要.对平面机构中过约束产生的机理进行了详细的分析研究,在此基础上系统地将其分为运动副元素上的过约束,重复运动副结构中的过约束和封闭运动链中的过约束,并分析了过约束对机械系统性能产生的影响.同时,提出了一些消除或减小过约束有害影响的措施.     

基于支链的并联机构位置分析及工作空间分析

目前在分析并联机构的位置与工作空间时,仍是直接对整个机构进行分析,存在过程复杂且无通用性的问题。为解决此问题,从构成并联机构的基本单元(支链)的角度出发,研究了并联机构位置分析与工作空间分析的解析方法。在位置分析方面,依据并联机构所具有的自由度,选择合适的支链并确定驱动副,先建立各驱动副所在支链的位置反解方程,进而得到并联机构的位置反解方程组,再依据并联机构的结构特点,进行位置正解的解析解分析。在工作空间分析方面,首先对位置反解方程组进行形式变换,输入影响因素并利用解析法建立各支链位置工作空间的边界方程,然后对所有支链的位置工作空间求交集,得到并联机构的位置工作空间,最后对并联机构各位置工作空间求并集,得到并联机构的全局工作空间。以3-RPS并联机构为例进行了位置与工作空间的分析与验证,证明了从支链角度进行并联机构位置分析与工作空间分析的方法的正确性和可行性。     

3-RRR型并联机构运动学研究

针对3-RRR型并联机构的输入及输出构件间的位置关系展开研究.基于运动螺旋理论,分析了该机构的自由度性质,并确定了主动副的位置;建立了机构的逆运动学方程及正运动学方程,并对给定运动平台的位姿进行了数值计算,以验证所建立方程的正确性;研究了机构的运动解耦性以及运动平台的工作空间大小与连杆长度变化的关系;最后,对给定运动平台的运动方程下主动副的输出转角进行了数值仿真.