Delta机械手动力尺度综合

研究广泛用于高速抓放操作的Delta机械手动力尺度综合方法。在建立系统运动学和刚体动力学模型的基础上,利用奇异值分解原理,提出一种基于单轴最大驱动力矩全域最大值最小的动力学性能评价指标。该指标可表示为系统尺度和惯性参数及位形的显函数形式,可直接用于观察奇异位形的出现条件。在考虑工作空间/机构尺度比、速度、精度和刚度等尺度和映射特性约束基础上,利用工程实例研究映射特性约束对尺度参数和动力学性能评价指标的影响规律,并据此综合出一组在满足上述约束条件下使得系统动力学性能最优的尺度参数。     

■高速并联机器人动力尺度综合

研究一种新型四自由度高速并联机器人动力尺度综合方法。该机构以■为支链且具有单动平台结构,与采用双动平台结构的此类机构相比,末端动平台质量更轻,从而具有良好的加减速性能。建立机构运动学和动力学模型,并构造出可反映机构运动和力传递特性的链内/链间压力角,以及以单轴最大驱动扭矩全域最大值最小的动力学性能评价指标。在此基础上,综合考虑装配尺寸等几何约束和运动学性能约束,建立了以使机构动力学性能最优的机构尺度综合模型。在探究压力角和动力学性能随尺度变化规律后,给定具体约束条件,通过遗传算法优化得到一组最优尺度,并基于在Lamé抓放轨迹上运动仿真完成伺服电动机参数预估。     

■高速并联机器人动力尺度综合

研究一种新型四自由度高速并联机器人动力尺度综合方法。该机构以■为支链且具有单动平台结构,与采用双动平台结构的此类机构相比,末端动平台质量更轻,从而具有良好的加减速性能。建立机构运动学和动力学模型,并构造出可反映机构运动和力传递特性的链内/链间压力角,以及以单轴最大驱动扭矩全域最大值最小的动力学性能评价指标。在此基础上,综合考虑装配尺寸等几何约束和运动学性能约束,建立了以使机构动力学性能最优的机构尺度综合模型。在探究压力角和动力学性能随尺度变化规律后,给定具体约束条件,通过遗传算法优化得到一组最优尺度,并基于在Lamé抓放轨迹上运动仿真完成伺服电动机参数预估。     

一种新型4自由度高速并联机器人设计方法

提出一种可实现SCARA运动的新型4自由度高速并联机器人的动平台,采用双螺旋齿轮传动原理,将两相对支链驱动转化为末端的自转运动。针对该机器人的动力尺度综合问题,在建立运动学和刚体动力学模型基础上,利用直接和间接雅可比矩阵的行列式,构造出两类揭示机构奇异状态并定量描述机构链内与链间的力传递特性的空间压力角。基于可反映系统动力学特性的性能评价指标,在几何约束和力传递性能约束条件下,借助多目标优化的方法获得可保证机构运动学和动力学性能的最优尺度参数。     

一种新型非对称五自由度混联机器人的尺度综合

提出一种新型非对称五自由度混联机器人,由三自由度1T2R位置型并联机构和二自由度A/C转头串接组成。为保证机器人具有近似面对称的性能,围绕其中的并联机构开展尺度综合研究。通过定义并联机构的参考位形,提出一种凝练独立尺度参数的方法,并定义出可评价工作空间、运动/力传递特性及其面对称程度的运动学性能指标。在此基础上,将机构尺度综合问题归结为一类有约束多目标优化问题,并采用范数理想点法,得到一组可使机构兼具优良的运动/力传递特性及大作业空间/机构占地比的尺度参数,同时运动/力传递特性在全域内具有近似面对称乃至轴对称分布。在相同尺度参数下与Exechon和TriMule机器人的对比分析表明,该机器人具有与二者近似的全域运动学性能。     

3-SPR并联机构运动学性能评价

以一种可用于航天航空高速铣削加工和自动装配的面对称3-SPR并联机构为对象,利用矩阵求逆提出一种具有解耦格式的全雅可比矩阵建模方法,并据此构造出一组取值介于[0,1]之间、量纲一且与坐标系无关的运动学性能评价指标,用于揭示机构尺度参数对这组指标的影响规律。在此基础上,构造出满足给定运动学性能、支链极限杆长比和球副转角等几何与运动学约束的尺度参数可行域,既可满足运动学性能要求,又可为后续设计修改尺度留有余地。     

基于运动学、刚度和动力学性能的并联机构有序递进三级优化设计及其应用

提出一种基于运动学、刚度和动力学性能的并联机构有序递进三级优化策略,即分别应用遗传算法（GA）、粒子群算法（PSO）、差分进化算法（DE）三种智能算法,以工作空间性能和运动/力传递性能为目标的尺度参数优化方法,又在优化尺度参数基础上,以机构承载刚度和整体刚度为目标进行构件截面参数优化,再在优化尺度参数和截面参数基础上,以动力学灵巧度和能量传递效率为目标进行构件质量参数优化,从而使得机构的尺度、截面及质量参数达到最优。以一种零耦合度三平移一转动（SCARA）并联操作手为例,运用矢量法建立了并联操作手的运动学模型,通过工作空间性能和运动/力传递性能两个运动学指标,优化其尺度参数;运用虚拟弹簧法得到该并联操作手的刚度模型,通过对三维模型的参数识别得到其柔度矩阵,并分析了承载刚度、整体刚度两个刚度性能指标,优化了构件的截面参数;利用动力学普遍方程导出了该并联操作手的动力学模型,通过动力学灵巧度和能量传递效率两个动力学性能指标,优化了构件的质量参数。最终,该并联操作手的运动学、刚度和动力学综合性能达到最优,也得到了一些尺度、截面及质量参数的设计准则。     

Delta机器人的尺度综合方法研究

尺度综合是并联机器人运动学设计的最终目标.为此,本文针对Delta机器人提出了一种最优尺度综合方法.首先对机构进行运动学分析得到局部灵活度的性能评价指标,其次将局部性能评价指标综合为全域性能指标,并将尺度综合问题归结为一类参数优化问题.上述方法对这类高速轻型并联机器人以及其它并联机构的运动学设计理论有一定指导意义.     

4自由度并联机构刚体动力学模型

以一种具有空间SCARA运动(三维平动和一维转动)的四自由度并联机构为研究对象,系统研究其简化刚体动力学模型的创建方法,提高了力矩求解精度。在运动学分析的基础上,利用虚功原理,建立机构的完备刚体动力学模型,并利用ADAMS校验该模型的正确性。考虑机构各活动构件的结构和运动状态,建立机构的单变量简化刚体动力学模型,奠定了变量优化的模型基础。以机构沿标准轨迹运动时,将完备模型和简化模型计算所得的单轴驱动力矩差值的最大值的绝对值的平均值作为优化目标,分析各尺度参数对优化目标的影响规律,为简化模型的最优变量确定提供指导。以一组给定参数为例,利用单目标优化方法,求解出变量最优值,通过与现有简化方法对比,验证了所述方法的有效性。     

一种高速轻型化并联机器人尺度综合的研究

以高速轻型化Delta机器人为研究对象,在建立系统机构误差模型与弹性动力学模型的基础上,同时兼顾运动学、刚体动力学与弹性动力学性能,以动平台平均位置误差与系统平均基频为优化目标,综合考虑安装尺度、速度、精度、刚度与刚体动力性能等各种约束条件,通过制定合理的遗传算法运行策略,优化得到Delta机器人的尺度参数。最后,根据优化得到的尺度参数,制造了Delta机器人物理样机,利用FARO激光跟踪仪与Workbench仿真软件,将其和Adept四轴Delta机器人进行了对比运行试验,试验结果显示它们的主要工作性能接近,验证了该尺度综合方法的有效性。     

Evaluation of the power consumption of a high-speed parallel robot

An inverse dynamic model of a high-speed parallel robot is established based on the virtual work principle. With this dynamic model, a new evaluation method is proposed to measure the power consumption of the robot during pick-and-place tasks. The power vector is extended in this method and used to represent the collinear velocity and acceleration of the moving platform. Afterward, several dynamic performance indices, which are homogenous and possess obvious physical meanings, are proposed. These indices can evaluate the power input and output transmissibility of the robot in a workspace. The distributions of the power input and output transmissibility of the high-speed parallel robot are derived with these indices and clearly illustrated in atlases. Furtherly, a low-power-consumption workspace is selected for the robot.     

两自由度并联机构性能指标分析

对两自由度2SPU+U并联机构进行了速度全域性能指标分析,绘出了上述性能指标图谱。针对速度全域性能指标的不足提出线速度全域性能波动指标和角速度全域性能波动指标公式,该指标可更好的反映机构线速度和角速度在整个工作空间内的运动性能波动情况。通过单变量分析法分析了关键部件尺寸变化对机构性能波动指标的影响,得到尺寸变化对机构性能的影响趋势,为机构尺寸选取以及优化设计提供理论依据,该研究对机器人重要结构尺寸的选取以及控制方案的设计有着重要意义。     

3SPS+1PS髋关节并联仿生试验系统工作空间优化

为使人工髋关节试验系统具有仿生模拟人体髋关节运动特性的能力,不但要使其能模拟髋关节各种运动形式,而且其运动输出空间应完全覆盖实际人体髋关节的运动范围,这也使得对其运动空间进行深入分析成为必要。针对作为髋关节并联仿生试验系统核心运动模块的3SPS+1PS并联机构,利用四元数法建立其逆/正解运动学模型,基于动平台三点构造法构建了3SPS+1PS并联机构的量纲统一速度Jacobian矩阵,分别比较了该矩阵条件数在不同运动空间及结构参数下的取值变化情况,得到条件数平均值与机构定、动平台上球副中心连线长度比值、球副许用转角及动平台中心位置高度等参数之间关系,优化了机构结构参数,进而得到了运动性能良好的运动空间区域。髋关节并联仿生试验系统运动空间的研究对其运动路径规划、动态特性分析及控制系统设计具有重要的意义。     

虎克铰工作空间研究及其在6-HTRT并联机器人中的应用

虎克铰作为一种能够提供两个自由度的铰链机构，在各种机构形式的并联机器人中得到了广泛的应用。对虎克铰的工作原理和工作空间作了研究和仿真，研究结果用于6－HTRT并联机器人的尺度综合，使得并联机器人的工作空间范围不受虎克铰运行副转角范围的限制，工作空间体增大，并联机器人的工作空间算法限制因素减少，运动控制算法简单，提高了并联机器人机构性能。     

Atlas Based Kinematic Optimum Design of the Stewart Parallel Manipulator

Optimum design is a key approach to make full use of potential advantages of a parallel manipulator. The optimum design of multi-parameter parallel manipulators(more than three design parameters), such as Stewart manipulator, relies on analysis based and algorithm based optimum design methods, which fall to be accurate or intuitive. To solve this problem and achieve both accurate and intuition, atlas based optimum design of a general Stewart parallel manipulator is established, with rational selection of design parameters. Based on the defined spherical usable workspace(SUW), primary kinematic performance indices of the Stewart manipulator, involving workspace and condition number are introduced and analyzed. Then, corresponding performance atlases are drawn with the established non-dimensional design space, and impact of joint distribution angles on the manipulator performance is analyzed and illustrated. At last, an example on atlas based optimum design of the Stewart manipulator is accomplished to illustrate the optimum design process, considering the end-effector posture. Deduced atlases can be flexibly applied to both quantitative and qualitative analysis to get the desired optimal design for the Stewart manipulator with respect to related performance requirements. Besides, the established optimum design method can be further applied to other multi-parameter parallel manipulators.     

Multi-objective optimization of a 3-DOF translational parallel kinematic machine

In this paper, stiffness modelling and analysis of a typical 3-DOF parallel kinematic machine (PKM) that provides translational motion along X, Y and Z axes is presented. The mechanism consists of three limbs each having an arm and a forearm with prismatic-revoluterevolute-revolute joints (PRRR). The joint arrangement is in such a way that the moving or tool platform maintains same orientation in the entire workspace. Through inverse kinematics, the joint angles for a given position of tool platform necessary for the stiffness modelling and analysis are obtained. The stiffness modelling is based on the compliance matrices of arm and forearm of each limb. Typical non-dimensional performance indices, namely, workspace volume index (WVI), global translational stiffness index (GTSI), and global rotational stiffness index (GRSI), are introduced and used to study the influence of dimensions. Attempts are also made to find the optimal dimensions of the translational PKM using multi-objective optimization based on the genetic algorithms (MOGA) in MATLAB. The methodology presented and the results obtained are useful for predicting the performance capability of the PKM under study.     

Optimal design of the front linkage of a hydraulic excavator for multi-objective function

The workspace, working velocity, excavating force, and load capacity of a hydraulic excavator play critical roles in the performance of the excavator for various tasks. This paper presents an optimal design of the front linkage of an excavator to maximize the performances of several indices simultaneously. A multi-objective function is defined to increase the excavator’s workspace, working velocity, excavating force, and load capacity simultaneously. The workspace is defined by using four geometrical indices and the working velocity is defined by the amount of time needed to perform one cycle composed of digging and dumping. The excavating force consists of two forces, and the load capacity is defined by using the minimum values of three types with specific operations. A total of 10 indices define objective function with each weight, and pin-points of the front linkage are the design parameters, including joint positions of links and hydraulic actuators. A two-step optimization procedure is considered based on a new method called the hybrid Taguchi-random coordinate search algorithm. The results indicate a 3.43% increase in performance relative to the initial design parameters of a commercial excavator. More specifically, the excavator’s workspace, working velocity, excavating force, and load capacity increase by 5.55%, 0.14%, 5.46%, and 0.33%, respectively. These improved design parameters can be applied to next generation excavators.     

一种支链含Pa副的新型2T1R并联机器人的运动学分析与多目标性能优化研究

以并联机构2T1R作为研究对象,基于并联机构拓扑结构设计理论综合出一类支链含Pa平行四边形机构的2T1R并联机构,并优选出两种新型2PRPaR-PPaR与2RRPaR-PPaR并联机构,以2PRPaR-PPaR并联机构为例,利用方位特征集拓扑结构理论计算机构的方位特征集、自由度、耦合度等拓扑特性,根据建立的特征方程并得到机构的运动学逆解解析式。基于此,分别对机构的工作空间、灵巧度、转动能力等性能指标可视化分析,并通过图形化对比分析机构参数对这些性能指标的影响,最后建立工作空间和全局灵巧度多目标优化模型,选择快速非支配多目标优化算法（NSGA-Ⅱ）实现机构尺度综合,结果表明：2PRPaR-PPaR机构具有工作空间较大、灵巧度较好、转动能力高等优良特性,优化出一组不同姿态角下的对工作空间和全局灵巧度的多目标pareto优化解。     

平面冗余驱动并联机器人的性能分析与尺度综合

建立了平面2自由度冗余驱动并联机器人的Hessian矩阵,将Hessian矩阵引入全域性能指标中,进行速度、加速度和灵巧度性能指标分析,给出三项指标的性能图谱,讨论结构尺寸变化对机构性能的影响。以该机器人速度、加速度和灵巧度指标为目标函数,以无奇异位形和工作空间为约束条件进行基于性能图谱的尺度综合,对不同权重优化结果的讨论为该机器人的构形设计提供了参考。