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.     

一类1T2R并联机构拓扑结构综合及优选

研究了一类1T2R并联机构拓扑结构综合和优选。应用平面机构的组成原理和约束特性,将1T2R并联机构拓扑结构视为由一条串接一转动副的1T1R平面并联运动链和两条空间无约束主动支链组成。统筹考虑机构位姿能力恰当性、支链结构力学合理性、机器人模块可重构性、位置逆解简易性和动平台结构紧凑性等准则,完成1T2R并联机构拓扑结构优选及性能验证。在此基础上,提出一种可继承Tricept机器人优点的新型五自由度混联机器人模块,该模块具有与Tricept机器人完全相同的运动学性能,且绝大部分部件可与Tricept机器人互换。     

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。     

双支链六自由度并联机构尺度设计与性能分析

提出了一种新型六自由度并联机构,该机构由两条运动支链组成,每条支链各包含一个主动球副。与常规六自由度并联机构相比,支链数目的减少可有效增大机构工作空间。基于封闭矢量法求得所提机构的运动学位置逆解,在此基础上分析了机构输入与输出的速度映射关系,建立了机构雅可比矩阵。以工作空间和全域灵巧度为性能评价指标,借助性能图谱法完成了机构尺度设计,基于该尺度参数,对特定工作姿态下的工作空间、灵巧度、承载性能及刚度性能进行了全面研究。最后,搭建了3D打印样机,并对其典型应用场景进行了分析。     

TriMule与Tricept机器人刚度解析与比对

为分析比对TriMule机器人与Tricept机器人中两种1T2R并联机构的刚度性能,基于旋量理论,通过力/变形雅可比将支链层面的界面刚度矩阵映射为机构末端笛卡尔刚度矩阵,构造出二者的刚度半解析模型。在此基础上,结合两种1T2R并联机构为球坐标机构的构型特点,推导出二者在给定参考位形下切向线柔度特性各向同性条件的显式表达,并提出评价两种机构切向、法向柔度特性的局部与全域刚度性能评价指标。利用该模型,揭示出两种机构中主动与从动支链的夹角对局部和全域刚度性能的影响规律。研究结果表明,对于一组相同的尺度、结构和任务空间参数,两种机构的刚度性能相当,且其局部与全域刚度性能均是强线性相关的,进而可用前者准确地表征后者。     

一种新型SCARA型并联机构运动学及优化设计

提出一种可实现SCARA运动的新型四自由度高速并联机器人机构,由两条R(SRS)_2R支链和2条RSS支链构成。采用方位特征理论(POC)分析了机构的拓扑结构特征,计算了机构动平台的自由度及POC集。根据杆长约束,建立了机构位置的非线性约束方程,并推导了位置正反解数学表达式。推导了机构的速度雅可比矩阵,给出了机构发生奇异的条件。通过给定机构运动副的约束条件,搜索了机构的工作空间图。根据消元后的正解超越方程,采用牛顿迭代法对3组给定的动平台位姿进行位置正反解数值验证,结果吻合。以工作空间的散点数目为目标,采用差分进化算法进行优化设计,得到机构的最优结构参数。比较结果表明,优化后机构的运动性能得到较大改善,为该机构的设计及应用奠定了理论基础。     

基于支链构造法的新型6-DOF并联机构构型设计

提出一种新型3支链6自由度机构构型设计方法。对于6自由度并联机构,支链对动平台没有自由度约束,只存在尺度约束。在每条支链中都加入一个球副,用以实现3转动自由度,其余运动副用以实现3移动自由度。以支链中移动副的数目为分类原则,得出了24种通用支链结构,在此基础上,对支链运动副轴线的位置进行特殊配置,得出了对应的新型支链结构。应用得出的支链结构,对其进行组合,设计出一系列6自由度并联机构,并且以简化运动学求解、扩大工作空间为目的,给出支链内部运动副轴线配置及支链空间拓扑位置的配置设计原则。对得出的新型3-RPPS机构进行运动学、尺度约束和工作空间分析,并建立与机构性能相关的尺度要素与构型综合的关系,验证了本方法的有效性。     

3-UPS/PU型飞行模拟器驱动平台基于模拟性能的尺度综合方法

研究了一种三自由度飞行模拟器驱动平台的尺度综合方法。该驱动平台由动平台、静平台、3条UPS无约束主动支链和1条PU恰约束从动支链组成,并提出从动支链由气动支撑单元构成,通过压缩气体承载主要负载,以提高驱动平台的模拟性能。基于Rayleigh商和向量的性质,提出了基于向量2范数的模拟性能评价指标,通过单调性分析讨论了各尺度参数对驱动平台刚度、操作性能和模拟性能的影响规律,并通过该影响规律寻求评价函数的最优解。最后通过算例验证了该方法的有效性。     

一种新型五自由度混联机器人动力学建模与性能评价

研究一种新型五自由度混联机器人动力学建模和性能评价方法。该混联机器人的主机构为由一条串接一转动副的1T1R(T：平动,R：转动)平面并联运动链和两条空间无约束主动支链组成的1T2R三自由度并联机构。建立该机器人位置逆解、速度、加速度及其动力学模型,并通过Solidworks motion验证动力学模型的正确性。在此基础上,计及末端转头加减速运动对并联机构驱动关节驱动力的影响,并考虑到此类机构切向和法向运动的差异,基于矩阵奇异值理论分别提出该机器人并联机构切向和法向加减速特性评价指标,揭示关键尺度和结构参数对加减速特性影响规律,为机器人的集成优化设计提供参考依据。最后,通过比对分析验证所提出的新型五自由度混联机器人具有与著名Tricept机器人和Trimule机器人相似的加减速特性。     

3自由度恰约束支链并联机构的静刚度分析

3自由度恰约束支链并联机构主要由动平台、静平台、3条无约束UPS主动支链和中间恰约束PU支链组成。采用螺旋理论求得驱动子雅克比矩阵和约束子雅克比矩阵,最终得到完整雅克比矩阵。通过虚功原理建立3自由度恰约束支链并联机构静刚度解析模型,采用刚度矩阵法通过MATLAB运动算例仿真得到整个工作空间范围内静刚度分布规律。结果表明:中间恰约束支链PU对全局刚度影响明显。     

Tricept机器人的尺度综合方法研究

Tricept机器人是目前商业上最为成功的并联机器人之一。提出一种Tricept机器人中三自由度并联机构的最优尺度综合方法。该方法首先导出尺度参数间的关系,其次构造一种均衡条件数全域均值及其极差间矛盾的综合操作性能指标,进而将尺度综合问题归结为一类双参数优化问题。该方法对掌握这类及其他并联机构的运动学设计理论有一定指导意义。     

Optimal design of the TriVariant robot to achieve a nearly axial symmetry of kinematic performance

This paper revisits the optimal kinematic design of a 3-DOF parallel mechanism that forms the main body of a 5-DOF reconfigurable hybrid robot named the TriVariant. The dimensional synthesis of the 3-DOF parallel mechanism is carried out by introducing a tilt structure angle that enables to achieve a nearly axial symmetry of kinematic performance with respect to the configuration when the properly constrained active limb is vertically or horizontally placed. The results are then compared with those of the Tricept robot via an example. It concludes that for the same task workspace the modified version of the TriVariant has a very similar kinematic performance to that of the Tricept provided that they both have similar dimensions.     

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。     

4自由度混联机器人静刚度分析

研究一种新型混联机器人模块-Bicept的半解析刚度建模方法。该模块由一含恰约束支链的2自由度平面并联机构和一与动平台末端串接的2自由度转头构成,是Tricept机器人的一种二维形式,具有制造成本低,工作空间大的特点,配以长行程导轨,可用于飞机壁板数字化自动制孔等场合。在完成2自由度并联机构位置逆解分析和变形分析基础之上,基于全变形雅可比矩阵建立该机构的静刚度半解析模型。建模中考虑了所有支链构件及铰链的弹性贡献,并侧重研究其恰约束支链弯曲刚度的精确建模问题。通过算例获得Bicept机器人面内静刚度在工作空间中的分布规律,并通过ANSYS有限元分析软件验证了计算结果的正确性。     

Kinematic analysis and optimal design of 3-PPR planar parallel manipulator

This paper proposes a 3-PPR planar parallel manipulator, which consists of three active prismatic joints, three passive prismatic joints, and three passive rotational joints. The analysis of the kinematics and the optimal design of the manipulator are also discussed. The proposed manipulator has the advantages of the closed type of direct kinematics and a void-free workspace with a convex type of borderline. For the kinematic analysis of the proposed manipulator, the direct kinematics, the inverse kinematics, and the inverse Jacobian of the manipulator are derived. After the rotational limits and the workspaces of the manipulator are investigated, the workspace of the manipulator is simulated. In addition, for the optimal design of the manipulator, the performance indices of the manipulator are investigated, and then an optimal design procedure is carried out using Min-Max theory. Finally, one example using the optimal design is presented.     

Tricept机械手静刚度解析建模方法

以Tricept机械手的3自由度球坐标型并联机构为例,提出含恰约束支链的球坐标型并联构型装备静刚度解析建模方法。该方法首先借助子结构综合思想将末端执行器位姿变形分解为无约束主动支链的拉压变形、恰约束支链的弯曲变形及其扭转变形3个部分,然后利用虚功原理和结构矩阵法建立各子结构系统的静柔度模型,最后借助线性叠加原理组集整机末端静柔度模型。在建模过程中,侧重研究恰约束支链弯曲刚度以及铰链刚度的建模方法。在此基础上,考察了Tricept机械手中3自由度并联机构静刚度在工作空间中的变化规律,并借助全局性能指标评价了主要构件柔度对整机柔度的贡献。     

3-RUU微动并联机构的尺寸型模型及性能图谱

基于伪刚体模型及运动学参数的量纲一化,建立了3-RUU微动并联机构的尺寸型模型,该模型在有限区间内给出了3-RUU微动并联机构所有可能的尺寸参数组合,模型空间内的任意一点代表具有相同或相似运动性能的同一族机构。结合对微操作运动性质的分析,提出了作业空间体积值、作业空间形状值及常值雅克比矩阵条件数等三种描述微动机构运动学性能的评价指标,并根据尺寸型模型及定义的性能指标绘制了反映机构性能与尺寸参数关系的性能图谱。     

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。     

球铰刚度计算模型及靠冗余支链实现并联机床刚度的改善

以Stewart机构为例提出一种基于解析法和有限元法的刚度分析新方法。应用有限元软件模拟球铰内的非线性接触变形,将计算结果抽象成一个特征参数带入机构的刚度解析模型中,然后得到机构的刚度矩阵,以解决在解析模型中无法处理铰链刚性的问题,并采用有限元软件证实该方法的可靠性。如果在解析模型中忽略球铰变形,则整个机构的刚度解析结果将产生较大误差。在此基础上,应用该方法定量研究采用主动冗余支链对提高并联机床刚性的效果。结果表明,在一定工作空间范围内,主动冗余支链可以显著提高并联机床的刚性。