基于微分几何的并联机构动力学及复合控制

在应用微分几何和黎曼度量分析串联机构动力学模型的基础上,结合并联机构的特点,推导了简单、统一的并联机构动力学模型,并将其投影到约束力和切向力方向,进而提出了并联机构的力/位置复合控制的控制算法。对一个二自由度平面并联机构的仿真结果表明,所提出的算法可有效控制约束内力、外力和末端位置。     

ADAMS在并联机构运动学分析中的应用

针对并联机构的运动学分析计算,以3-UPS/UP型并联机构为例,介绍了应用动力学仿真分析软件ADAMS对其进行运动学仿真的方法与步骤。采用三维CAD软件Inventor建立了几何模型,以Parasolid格式导入ADAMS环境,对几何模型施加约束与激励,建立了并联机构的虚拟样机模型。并对模型进行了逆向与正向运动学仿真,快速准确地求得了并联机构的运动学反解与正解,大大简化了计算过程,为并联机构的运动学分析及机构设计提供了借鉴。     

空间并联机构运动学与动力学分析的新方法

空间并联机构的运动学与动力学分析具有相当的复杂性。将Dynamic Designer／Motion仿真模块和Solidworks三维建模软件结合，提出了一种进行空间并联机构运动学与动力学分析的新方法——仿真分析法，并给出了其在六自由度八面体变几何桁架机构设计中的应用实例。文中给出了实现仿真分析所涉及的主要技术方法和详细步骤。     

力作用下并联机构奇异点动态稳定性

采用分析动力学方法,将并联机构几何约束处理为约束力,得到无乘子二次项非耦合的质点系Lagrange动力学方程.该方程综合反映了质点系速度、输入参数速度、加速度,质点系重力及外载荷等对质点系动力学响应的作用机理.利用该方程对奇异位置处并联机构在自身重力作用下的动力学响应研究,发现在响应初期,并联机构各输入参数具有保持长度不变的特征,并联机构在奇异位置的运动不能被输入参数所控制,产生运动失控现象.采用Lyapunov稳定性理论对外力作用下奇异点动态稳定性进行研究表明,单纯或者联合改变外力大小或方向,难以获得满足稳定性要求的外载荷,不建议采用施加外力来提高奇异点动态稳定性.     

一种新型3T1R并联机器人的拓扑结构设计及运动学分析

提出了一种新型三平移一转动并联机器人。采用方位特征理论(POC)分析了机构的拓扑结构特征,运用Yang-Sun方法计算机构的自由度并确定了机构的运动特征。建立了运动学模型,根据构件的空间几何关系,列出了该并联机构的运动学方程。求出机器人的位置反解和正解。该方程也为该机构作进一步的运动学动力学及优化设计研究打下基础。     

一种三自由度串并联结构旋转台的动力学分析

对三自由度旋转台进行了动力学分析。该旋转台只有3个方向的转动自由度,由二自由度球面并联机构和串联在其上的旋转电机构成。根据旋转台的几何和运动特性建立了系统的输入输出速度方程,得出了速度Jacobian矩阵和动能方程。利用拉格朗日法和虚功原理,建立了系统的动力学模型,解决了特定外载荷和速度、加速度条件下如何求解驱动力矩的问题。给出了动力学的仿真运算实例,讨论了在匀速和匀加速情况下,二自由度球面并联机构驱动力矩的变化。最后根据动力学方程,得出了串联在二自由度球面并联机构上的第三个自由度的力矩与输出转角的运动学方程。     

Stewart平台6-UPS并联机构动力学建模与仿真

以6-UPS并联机构为研究对象,推导了并联机构的动力学方程.在给定动平台运动轨迹的情况下,用龙格库塔方法求解动力学微分方程.计算结果验证了并联机构动力学建模正确,控制器设计合理.     

空间并联机构运动学与动力学逆解的模块化计算方法

应用模块化计算方法研究了空间并联机构的运动学与动力学逆解,计算效率能够满足实时控制的要求。通过对各类支链运动学及动力学逆解的分析,应用牛顿-欧拉法并引入拉格朗日乘子建立了空间并联机构的动力学逆解模型,提出了空间并联机构运动学与动力学逆解模块化计算软件的系统构架。结果表明该方法适用于各类非冗余空间并联机构的运动学与动力学逆解的自动建模和可重构设计,并给出了一种新型并联机构的分析实例。     

复合驱动并联机构的动力学建模与仿真分析

针对一种■自由度复合驱动并联机构的刚体动力学建模问题,采用拉格朗日法结合虚功原理建立刚体动力学模型并进行仿真分析。首先,在考虑存在次闭环的情况下,采用闭环矢量法对并联机构进行运动学分析,推导出机构各构件质心的线速度和角速度;其次,采用拉格朗日法结合虚功原理建立复合驱动并联机构的刚体动力学模型,为复合驱动并联机构驱动力的求解及后续动力学仿真分析奠定了基础;最后,基于MATLAB软件和ADAMS软件对该并联机构进行动力学仿真分析,在给定相同末端轨迹的情况下,对比两种软件得到的驱动力变化曲线,仿真结果验证了所建动力学模型的正确性。文中不仅为■自由度复合驱动并联机构控制系统的搭建打下了基础,也为其他复合驱动并联机构的动力学建模分析提供了理论依据。     

基于拓扑特征的并联机构拓扑变换

引入拓扑学理论,定义了并联机构的拓扑空间,分析了并联机构的拓扑特征;研究了并联机构的拓扑变换方法,给出了6-PSS并联机构的4种拓扑结构的几何模型,为并联机构构型的研究提供了理论基础和创新方法。     

Singularity analysis of 5-RPUR parallel mechanisms (3T2R)

Singularities of parallel mechanisms are related to the regularity of certain Jacobian matrices whose rank deficiency makes the mechanisms lose their inherent rigidity. This paper presents the results of a detailed investigation of the singular configurations of 5-degree-of-freedom parallel mechanisms performing all three translations and two independent rotations. The general architecture of the mechanism—arising from the type synthesis of symmetrical 5-degree-of-freedom parallel mechanisms—is comprised of a mobile platform attached to a base through five identical revolute–prismatic–universal revolute-jointed serial kinematic chains. From the results of screw theory, it is demonstrated that the Jacobian matrix of the above mechanism is constituted by six Plücker lines, a special case of Grassmann coordinates. This channels us to use the so-called Grassmann line geometry instead of applying a classical linear algebra approach. Grassmann line geometry can be regarded as a classification of the degeneration of the Plücker line set. Moreover, six simplified designs are proposed for which their singular configurations can be predicted by means of the Grassmann line geometry. The principles of this study can also be applied to other types of symmetrical 5-degree-of-freedom parallel mechanisms.     

基于Grassmann线几何的平面柔索驱动并联机构奇异分析

柔索驱动并联机构奇异的本质是部分柔索作用在操作末端的力旋量失效,基于此,将柔索对操作末端的作用定义为线矢量,利用Grassmann线几何方法对这些线矢量之间的线性相关性进行判断,从而可以判定柔索驱动并联机构是否处于奇异的位形,并得出平面柔索驱动机构在无奇异设计时必须要满足的几何条件。利用此线几何方法对几类机构的奇异进行判定,并根据平面无奇异的几何条件给出两种无奇异机构。对发生奇异的机构通过改变机构的尺寸或增加部分柔索等方法对机构进行改进,从而避免了机构的奇异。利用雅可比矩阵数值方法对机构改进前后的奇异性进行分析,结果表明改进后机构有效地消除了机构原有的奇异,也说明线几何方法分析柔索驱动并联机构奇异问题的适用性。     

计算机辅助几何法分析4-DOF并联机器人

提出运用计算机辅助几何法来研究新型四自由度并联机器人的型综合问题,利用在CAD软件草图环境下建立的并联机器人模拟机构,基于并联机器人的模拟机构,综合出多种新型四自由度机构,并用计算机模拟法,分析了动平台的运动特性。模拟结果表明,计算机辅助几何法的应用不但大大简化了并联机器人机构型综合的难度,而且快捷直观,值得推广。     

计算机辅助几何技术用于并联机器人机构学研究方法论

提出将计算机辅助几何技术用于并联机器人机构学研究的基本理论和方法。基于CAD几何约束和尺寸驱动技术原理,建立并联机器人模拟机构,该模拟机构的运动特性与装配成的三维机构实体完全等效。研究表明,计算机辅助几何技术用于并联机器人机构学的研究不仅具有简捷直观、求解精度高和重复性好的优点,而且无需解析求解和辅助编程就可完成并联机构的型综合和运动特性分析,为研制更多实用的新型并联机器人提供有效的工具。     

并联机构中奇异位形的分类与判定

基于拓扑学和微分几何等数学工具研究并联机构位形空间的拓扑几何性质,并据此对并联机构中存在的奇异位形进行分类,揭示了各种奇异位形的不同物理意义,同时给出了不同奇异位形的计算方法。该方法适用于一般并联机构的奇异位形计算。最后对几种典型并联机构的奇异性进行了分析。     

基于虚功原理的并联机构驱动力和约束力分析

以虚功原理为基础,利用CAD变量几何法,求解空间并联机构各分支的驱动力和约束力。以一种空间2SPS+2UPU并联机构为例,首先构造含有欧拉角的该机构的模拟机构,在此基础上进一步构造F/T(力/力矩)模拟机构,得到其驱动力和约束力解。当改变驱动参数时,F/T(力/力矩)模拟机构随之变化,驱动力和约束力自动求解和动态显示。结果表明CAD变量几何法不仅快速直观,而且准确可靠。     

基于CAD变量几何法的并联机构静力学分析

以虚功原理为基础,利用CAD变量几何法,求解空间并联机构各分支的驱动力和约束力。以3-RPS并联机构为例,首先构造含有欧拉角的该机构的模拟机构,在此基础上进一步构造F/T(力/力矩)模拟机构,得到其驱动力和约束力解。当改变驱动参数时,F/T(力/力矩)模拟机构随之变化,驱动力和约束力自动求解和动态显示。结果表明,CAD变量几何法不仅快速直观,而且准确可靠。     

2SPS+RRPRR并联机器人实时速度加速度的变量几何法求解

以有限差分原理为基础,利用计算机辅助几何约束和尺寸驱动技术,构造含有欧拉角的5自由度2SPS+RRPRR并联机器人模拟机构,得到其位姿解。在此基础上进一步构造线速度/线加速度和欧拉角速度/角加速度模拟机构,得到其线速度/线加速度及欧拉角速度/角加速度解。当改变驱动参数时,模拟机构也随之变化,自动求解各项运动学参数。结果表明CAD变量几何法不仅快速直观,而且准确可靠。     

Simulation of machining 3D free-form surface in normal direction using 6-SSP and 4SPS+UPU parallel machine tools

A novel 6-SSP parallel machine tool and a novel 4SPS+UPU parallel machine tool are presented, and a novel CAD approach is proposed to machine a 3D free-form surface in its normal direction by using the two parallel machine tools. First, by adopting the CAD geometry constraint and dimension-driving technique, the simulation mechanisms of a 6-SSP parallel manipulator with 6-DOF and a 4SPS+UPU parallel manipulator with 5-DOF are created. Second, a 3D free-form surface and a guiding plane of tool path are constructed above the moving platform of the two simulation mechanisms. Third, the tool axis of simulation parallel machine tool is retained perpendicular to the 3D free-form surface. In the light of two prescribed tool paths, the driving limbs and the pose of the moving platform of parallel machine tools are solved automatically and visualized dynamically.     

五自由度并联驱动机构及其位置分辨能力分析

提出了一种具有三移动和二转动的多分支耦合并联驱动机构,基于方位特征集法分析了机构自由度及机构末端的运动特征。利用齐次变换法建立了机构的运动学逆解模型,求解了并联驱动机构的全雅可比矩阵。基于牛顿迭代法建立了运动学正解模型,并对理论模型进行了仿真验证。利用CAD变分几何法绘制了机构的可达工作空间。定义了机构的全域位置敏感度系数指标,系统分析了特定工况下的驱动系统分辨率对机构位置分辨能力的影响规律。