基于结构降耦的一类低耦合度新型3T1R并联机构的拓扑设计

四自由度的可实现SCARA型（三平移一转动）输出运动的并联机构,与三自由度的Delta机构相比,因其本身的拓扑结构复杂,导致运动学正解以及动力学计算复杂,从而使其新机型的研究和开发应用相对困难;而降低这些机构的耦合度（简称结构降耦）可直接降低机构运动学、动力学求解的难度。根据笔者提出的机构结构降耦方法,对笔者最近提出的一类5个耦合度值κ为2且具有较好实用价值的SCARA型新型并联机构进行了结构降耦优化,得到了耦合度较低（降为κ=1）但自由度和动平台输出运动类型均保持不变的10个SCARA新机型,而这10个低耦合度（κ=1）机构的运动学正解及动力学正反解,可用一维搜索法方便求得数值解,或从易导出的1个一元高次代数方程求得封闭解,为其进一步构型拓扑优化、设计及应用研究奠定了基础。     

一种非全对称低耦合度三平移一转动并联机构的设计及其运动学

提出一种非全对称的三平移一转动（3T1R）的并联机构,并对其进行拓扑特性分析,发现其耦合度κ较大(κ=2),这表明其位置正解求解复杂。为此,对该机构进行拓扑结构降耦设计,得到一种低耦合度（κ=1）但基本功能(动平台输出方位特征和自由度)不变的降耦机构;然后,根据基于序单开链的机构运动学建模原理,给出了该降耦机构位置正解的一维搜索求解算法及其数值解;通过导出的位置反解公式,对该降耦机构的工作空间、转动能力和奇异性进行了分析。该降耦机构结构简单、制造容易、工作空间大、转动能力强。     

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。     

并联机构的结构降耦原理及其设计方法*

机构学的难题之一是寻找机构拓扑结构学与运动学、动力学之间的映射规律。前期研究表明,降低机构的结构耦合度可直接降低机构运动学、动力学求解的难度,这揭示了机构拓扑结构学与运动学、动力学之间的关系之一,因此,如何降低机构的结构耦合度已成为机构拓扑结构优化的重要内容,但目前国内外研究很少。研究并联机构的结构降耦原理、设计方法及其应用。定义并联机构结构降耦的概念,澄清并揭示机构结构降耦与机构运动解耦之间的内在区别与联系。从并联机构支链本身的拓扑结构以及支链在动/静平台之间布置的拓扑结构两方面,提出保持并联机构自由度和方位特征不变而降低机构耦合度的两个结构降耦原理,据此,进一步提出了基于设计混合支链的、基于运动副复合的、基于方位特征支链主动化的三种结构降耦设计方法,并分别给出设计例子,得到相应的自由度和方位特征保持不变但耦合度降低的新机构,为其应用研究提供了优选机型。提出的机构结构降耦原理与设计方法,适用于所有的复杂平面和空间平面。     

一种新型半对称三平移一转动（3T1R）并联操作手的运动学研究

基于方位特征（POC）方程的并联机构拓扑结构设计理论与方法,提出了一种能实现三平移一转动（3T1R）的2RRPaR+2RSS并联操作手机构。对该机构进行了结构特性分析,计算了其自由度及POC集,并得出其耦合度为2;依据该机构的结构特性及几何约束条件,采用二维搜索法对该机构的位置正解进行了求解,推导出了其位置逆解,并验证了位置正逆解的正确性;基于该机构的逆解公式,计算出其三维工作空间,并得到了一组Z向不同截面的切片形状,同时对Z=1000 mm截面处的转动能力进行了分析;最后,基于雅可比矩阵对机构奇异位形进行了分析。研究结果表明：所提2RRPaR+2RSS机构在与H4机构主要尺寸参数相同的情况下,其工作性能总体优于H4机构。与H4机构相比,所提机构的工作空间增加了27.87%,其转动能力提高了4.35%。     

一种具有部分运动解耦和符号式位置正解的空间2T1R并联机构拓扑设计与动力学建模

根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论及方法,设计了一种含一条冗余驱动支链(RRR)、零耦合度且部分运动解耦的全转动副组成的空间两平移一转动(2T1R)并联机构,并对该机构进行了拓扑结构分析;依据基于拓扑特征的运动学建模原理,给出了该机构的符号式位置正解;同时推导出了位置逆解,得到了动平台的雅可比矩阵,由...     

基于平面五杆闭环结构的空间并联机构类型综合与拓扑分析

分析了五杆闭环结构的类型、拓扑描述、组成形式和运动性能 ,重点研究了基于 5R闭环结构与RPRPR闭环结构在空间并联机构中的应用 ,给出了基于五杆闭环结构的空间并联机构的类型综合方法及步骤 ,并综合出了九种空间并联机构的构型。     

3T-2R五自由度并联机构的型综合

基于单开链单元的并联机构结构组成原理,提出了一些三平移两转动五自由度(3T-2R 5-DOF)的新的单开链。使用拓扑结构的设计原理和方法,全面综合了3T-2R 5-DOF并联机构的机型,得出了一些新机型。所有机型都满足主动副配置在静平台上的要求,便于控制。分析了机型的主动副的配置及其耦合度等基本特征,通过ADAMS软件验证了机型的正确性,并将研究结果列于表中。这些机型具有更强的实用性,它们为三平移两转动机型的优选提供了参考依据。     

基于方位特征方程的3T-1R并联机构的拓扑结构综合

以SCARA并联机器人的发展为背景,用提出的基于方位特征（POC）方程的并联机构结构综合方法,详述可实现三维平动和一维转动（3T-1R）的并联机构拓扑结构综合的完整过程,给出了13种拓扑结构类型（包括现有的3种SCARA并联机器人构型）及其分类,从中还可进一步衍生出具有实用价值的新机型。基于POC方程的并联机构结构综合方法,每一步都有确定的公式或准则,思路清晰、操作方便。     

基于结构降耦和运动解耦的并联机构拓扑结构优化及其性能改善

并联机构的拓扑结构包含各支链本身的拓扑结构以及各支链相对于动/静平台布置的拓扑结构两个层面,后者对并联机构的结构、运动、动力学性能有重要影响,但研究相对较少。阐述机构结构降耦原理及其降耦设计方法,同时,提出一种基于Pro/E-ADAMS仿真运动曲线的机构运动解耦性判断方法,而无须求解机构的输入-输出位置方程。以两平移一转动3-RRR、三平移3-R//R//C并联机构为例,不改变其支链本身的拓扑结构,仅改变其在动/静平台之间的拓扑结构,设计出相应的结构降耦构型和运动解耦构型：两平移一转动机构的耦合度从k=1降为k=0,从而极易求得位置正解解析式;而原先不具有运动解耦性的三平移机构具有了部分运动解耦性,因而运动规划和控制变得容易。对一种3-R//R//C解耦构型的位置正解、运动解耦性、奇异位形、工作空间、灵巧度性能进行计算分析,发现其性能明显优于优化前的原始构型。研究成果为并联机构的拓扑结构优化及其性能改善,以及揭示两者之间的关系提供了一种有效方法。     

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。     

基于拓扑解耦准则的球面并联机构解耦条件研究

具有输入输出解耦特性的并联机构,由于其易于控制,深受欢迎。基于提出的并联机构拓扑解耦准则,针对一种球面解耦并联机构进行了解耦性分析,给出了该机构更一般的解耦条件;更进一步,基于拓扑解耦准则构造了一种更一般的新型球面解耦并联机构。基于拓扑解耦准则进行并联机构解耦特性分析和型综合的方法,对具有拓扑解耦特性并联机构的创新设计和应用具有深远意义。     

一种新型9-3可重构并联机构的设计、拓扑特性与重构分析

可重构并联机构具有变自由度及变构型的优点,设计了一种零耦合度、含3条冗余支链的新型9-3可重构并联机构。基于方位特征方程的并联机构拓扑结构设计理论与方法,创建了并联机构拓扑分析的模块化公式,并解析了机构的拓扑特性。基于一种可转换主、从运动及锁合的变胞移动副,利用主动模式与从动模式,将9-3型可重构并联机构转换为6-3A和6-3B这两种构型,并计算了它们的拓扑指标。结果显示,它们的耦合度分别为0和1。利用锁合模式,将6-3A型并联机构进行重构,得到了5类少自由度并联机构。特别地,以一种三自由度重构构型为例,详细分析了其拓扑特性。     

3-PRUR三平移并联机构位置计算

根据并联机器人机构结构综合理论,构造出一种新型的具有三平移的3自由度并联机器人机构。建立了运动学模型,分析了该机构的运动特性和运动学正反解。简单的运动学反解模型为该机构作进一步的运动学动力学及优化设计研究打下了基础。     

基于拓扑结构分析的求解6-SPS并联机构位置正解的研究

建立机构拓扑结构复杂性和位置正解求解难易性的关系,提出按机构耦合度k大小来分类求解并联机构位置正解全部实数解的数值法,可使正解问题求解容易,具体内容包括：对39种不同构型的6-SPS并联机构,按6种基本机型、33种衍生机型的拓扑结构及其耦合度值分为k=0、1、2、3四类,分析得到了动平台边数、支链类型影响耦合度k值大小的规律。对不同k值的并联机构的位置正解求解指明明确的求解方向,即：对k=0的机构可容易地直接求解其解析正解;对k>0的机构,通过虚设k个SPS型支链,使之转化为k=0的虚拟并联机构,并基于杆长条件建立k个仅含一个变量的杆长相容性方程,再采用k维搜索法求出实数解。以六自由度球面Stewart机构为例,给出了求解耦合度k=1的任意6-DOF SPS并联机构位置正解全部实数解一维搜索法的具体步骤。这种基于拓扑结构分析的6-SPS并联机构位置正解求解的数值法,求解原理简单,计算量小,且具有一般意义。     

一种新型低耦合度非全对称三平移一转动并联机械手及其运动学分析

根据基于方位特征（POC）方程的并联机构拓扑设计理论和方法,分析了一种可实现三平移一转动输出运动的新型低耦合度的非全对称四自由度并联机械手2-RPaRSS,并完成其运动学建模与分析。首先,分析计算出该机构的耦合度(κ=1),给出了基于序单开链（SOC）的机构位置正解的建模方法及其数值解;其次,通过导出机构位置反解及算例,验证了正反解求解的正确性;再次,分析了该机构位置工作空间的形状大小及工作空间Z向各截面形状;然后,对机构的奇异位形进行了分析,得到其发生三类奇异的条件;最后,设计了该机械手样机的三维CAD模型。研究结果表明,2-RPaRSS机械手比H4、I4R、Cross-Ⅳ结构简单,且具有更大的工作空间和更好的动平台转动能力。     

基于单开链有序求解的机构正向运动学建模原理及其两种求解方法

提出了一种基于单开链有序求解的机构正向运动学建模原理。将机构分解为一系列具有不同约束度值的单开链单元，再根据约束度总和为零的原则，将一系列单开链单元划分为若干个自由度为零、耦合度为κ_i的基本运动链（BKC_i），逐一按BKC_i建立含最少虚拟变量数目的机构位置方程；给出了具体的数值法和封闭法两种方法。由于数值法较简单，故用κ维搜索法直接求解机构位置方程；封闭法求解时先用Mathematica进行符号处理，从含变量数为κ的机构位置方程中导出一个一元高次的非线性位置正解封闭方程，再求解该一元高次方程。分别给出4个实例予以详细说明与验证。所提原理及求解方法思路清晰，可使机构正向位置方程中的变量和计算量大大减少，适用于求解任意复杂平面机构、空间并联机构的位置正解。     

基于单开链单元的2T-2R并联机构正运动学分析

提出了空间并联机构正运动学速度、加速度分析的一种新方法———序单开链(SOC)法。该方法依据机构的拓扑结构特征,采用相同的序单开链分解线路,建立了与机构位置分析模型相统一的机构速度、加速度分析模型,得到了维数恰等于机构耦合度的并联机构速度、加速度方程。以一种2T-2R并联机构为实例,给出了其速度、加速度分析。     

两移动三转动混联机构型综合

基于GF集理论提出一种系统有效的串联、并联混联机构型综合方法。首先介绍GF集的基本概念、运算法则,以及转动特征存在条件。然后通过分析混联机构结构的组成特点,基于GF集元素组合和转动轴线迁移定理,提出了设计混联机构型综合方法,根据机构的拓扑结构和结构参数之间的关系,建立了混联机构数综合方程,给出了混联机构型综合的具体步骤。之后根据混联机构型综合理论,完成了具有2T3R混联机构运动特征的构型设计,得到了大量新构型。最后,针对综合出的一种2T3R混联机构,通过混联机构末端分析方法,验证了所设计出混联机构的运动特征,从而证明了构型综合方法的正确性。     

基于方位特征集的两转动（0T-2R）并联机构的型综合及其应用

应用基于方位特征集的并联机构拓扑结构设计理论与方法,对两转动（0T-2R）输出的并联机构进行了型综合;在阐述基于方位特征集的并联机构型综合一般过程和步骤的基础上,给出了两转动输出并联机构拓扑结构设计的具体方法,综合得到了14种两转动输出并联机构,其中,6种机构为该方法综合得到,然后按它们的结构特性进行了初步分类,并将优选的一种两转动并联机构用于太阳能二轴跟踪机构的研制。该型综合方法运算规则少,数学方法简单,几何与物理意义明确,适用于所有无过约束和一般过约束机构。