绳索-弹簧机构工作空间分析

对于绳索牵引并联机构,因绳索只能承受拉力而不能承受压力,因此完全约束的n自由度绳索牵引并联机构至少需要由n+1根绳索来驱动,冗余驱动会导致成本增加,绳索拉力求解复杂。绳索牵引并联机构中,在末端执行器与机架之间选择适当位置引入弹簧,构成绳索-弹簧机构,由弹簧来提供被动力,则可以实现绳索驱动器与自由度数目相同的可控绳索-弹簧机构。以平面3根绳索1根弹簧机构为例,建立模型,求解可行工作空间,分析弹簧参数对绳索-弹簧机构可行工作空间的影响,采用遗传算法对机构构型进行优化,并对比分析优化前后的工作空间指标。结果表明,绳索-弹簧机构在构型优化选择适当的弹簧参数后,可以显著改变工作空间及其质量,为后期规划动平台的运动轨迹提供参考。     

平面二自由度冗余驱动并联机构动力学建模与驱动力优化

针对并联机构引入冗余驱动造成驱动力求解不唯一、可能引起内力对抗问题,对冗余驱动并联机构的动力学建模和驱动力优化进行了研究。首先,基于闭环矢量法得到了机构运动学关系;接着引入螺旋理论,采用与系统运动螺旋成线性关系的约束矩阵之正交补来消除约束力螺旋,扩展自然正交补(Natural Orthogonal Complement, NOC)方法到冗余驱动并联机构,建立了平面二自由度冗余驱动机构的动力学模型;此外,建立了机构的驱动力模型,并基于最小范数法进行了驱动力静不定问题的约束优化求解,进一步采用Householder矩阵应用QR分解提高求解效率,得到了物理意义明确、求解快速的驱动力优化方法;最后通过平面轨迹跟踪仿真,对提出的建模和驱动力优化方法进行了验证。研究结果表明：基于螺旋理论的自然正交补方法推导动力学模型具有系统高效、中间变量少等优点;采用最小范数法的QR分解法求解各驱动器驱动力矩物理意义明确,速度快。该建模和驱动力优化方法不仅适用于冗余驱动的平面机构,也适用于空间机构以及超冗余机构。     

6自由度绳牵引并联机构的运动轨迹规划

首先,基于6自由度绳牵引并联机构的运动学逆解模型,给出了可用于运动轨迹规划的绳的速度和加速度 的一般结论:绳的速度值始终不大于动平台上相应铰链点的速度值;而正的绳加速度值始终不大于动平台上相应 铰链点沿绳拉力方向的加速度值。接着,提出一种适用于大部分工作空间的绳拉力的计算算法。然后,选择一个 结构紧凑的6自由度完全约束定位机构,以末端执行器能实现空间螺旋∞型的轨迹为目标,进行运动规划,研究 绳的运动特性。仿真结果验证了以上所得到的一般性结论。同时表明,一些绳的拉力的变化不大;而另外一些绳 的拉力的变化很大。这些运动轨迹规划的仿真结果,能为以后该机构的运动控制方案的研究提供依据。提出的运 动轨迹规划方法对一般的6自由度绳牵引并联机构都适用。     

并联机构驱动力优化配置方法及应用研究

驱动冗余作为机构驱动力优化配置的一种有效手段,它的输入力大小以及冗余方式会对并联机构主驱动力有较大的影响。基于虚功原理建立了驱动冗余情形下的动力学方程,采用最小二范数解作为冗余驱动的输入。并以Z3并联动力头为例,理论推导和计算了其在单冗余驱动与多冗余驱动下主驱动力的大小,分析了不同冗余方式对主驱动力配置的影响。最后,将理论解算得到的冗余驱动力作用在仿真计算环境中进行仿真验证,结果证明该方法对主驱动力优化配置的有效性和可靠性。     

绳牵引并联机器人的静刚度解析

基于微分变换和线几何理论,建立包含关节弹性变形以及绳拉力等因素的绳牵引并联机器人的刚度模型,推导刚度矩阵的数学表达式.模型不仅考虑驱动单元、绳的弹性变形对机构刚度的影响,而且考虑机构在广义外力作用下由末端执行器微分运动所引起的结构矩阵的变化.通过线矢量的引入,分步求导模型中结构矩阵对末端执行器位姿变分的三维Hessian矩阵.模型表明,绳牵引并联机器人的系统刚度由两部分组成,其中一部分主要取决于绳的几何布置、末端执行器的位姿、驱动支链的物理特性;另一部分表达为结构矩阵相对末端执行器位姿的变分-Hessian矩阵与绳拉力矢量的乘积.大射电望远镜5m缩尺模型数值仿真与试验结果的对比验证了该方法的正确有效.     

Vex4冗余驱动并联机构的动力学建模、力优化及力位混合控制

并联机构引入冗余驱动可消除机构奇异位型,提高刚度和负载能力。但冗余驱动造成驱动力求解不唯一,可能引起内力对抗,造成能量损耗甚至机构损坏。因此冗余驱动并联机构的动力学建模与控制必须考虑驱动力分配和优化。应用自然正交补(NOC)法对Vex4三自由度冗余驱动并联机构进行动力学建模,采用右Moore-Penrose广义逆矩阵通过QR分解转置系数矩阵得到最小驱动力优化解。为平衡驱动力并跟踪轨迹,在力位混合即非冗余支链位置控制、冗余支链力(矩)控制基础上,采用动力学差分提出一种位控、力控支链驱动力同步优化方法,设计同步优化力位混合控制器实现轨迹跟踪控制。搭建Vex4冗余驱动并联机构样机开展轨迹跟踪试验,验证了所提优化和控制方法的有效性。     

立面1R2T三自由度绳牵引并联机构的系统仿真

给出所设计的立面一个转动两个平动(1R2T)三自由度绳牵引并联机构的模型.针对此机构模型,建立了运动学逆解模型;接着提出两种计算绳拉力的算法,并具体分析了其中一种算法.以末端执行器实现椭圆型的运动轨迹为目标,进行轨迹规划,研究绳的运动特性.采用Simlink仿真软件对该系统进行了一系列的仿真,包括:绳长变化、绳的速度、加速度变化以及绳的拉力变化.仿真结果表明:在所规划椭圆轨迹下,所有绳速度、加速度的变化是连续的;一些绳拉力的变化比较大,另一些绳拉力的变化比较小.提出的运动轨迹规划方法,具有通用性.     

绳牵引并联机器人工作空间的判定条件与解析表达

研究6自由度完全和冗余约束绳牵引并联机器人力旋量封闭工作空间的性质,给出并证明在不同牵引绳根数下末端执行器位姿属于力旋量封闭工作空间的充要条件,分析满足矢量封闭原理的结构矩阵对应的几何特征。总结6自由度完全和冗余约束绳牵引并联机器人力旋量封闭工作空间的判定定理,即结构矩阵满秩,在结构矩阵中存在列矢量位于6个线性独立列矢量反方向张成的六维凸锥内,且满足相关系数之和大于0。基于以上定理和性质,推导6自由度完全和冗余约束绳牵引并联机器人力旋量封闭工作空间边界的解析表达式,提出力旋量封闭工作空间解析求解方法。数值算例验证了方法有效可行。     

绳索牵引骨盆康复机器人的轨迹规划

根据正常人步态运动中骨盆在水平面内的运动情况,对绳索牵引康复机器人进行了轨迹规划研究。依绳索牵引骨盆机构方案,用影响系数方法建立绳索牵引骨盆康复机器人运动学方程,得出骨盆运动与绳索运动的映射关系;基于达朗伯原理建立骨盆的动力学方程,求解出绳索拉力解,并对绳索驱动单元建立动力学方程。通过MATLAB软件对骨盆在步态运动过程中的轨迹进行仿真,得到了各根绳索位置、速度、加速度变化曲线;在考虑绳索工作承受最小拉力和最大拉力阈值的限制时,仿真各根绳索所受拉力变化曲线,可得各根绳索拉力处于对外力平衡和内力平衡的情况,并得到施加在伺服电动机上的电压变化曲线。     

冗余约束绳驱并联机器人的张力分配研究

提出一种改进的二次规划方法求解冗余约束绳驱并联机器人的绳索张力分配问题.建立一般冗余约束绳驱并联机器人运动学模型,对机构进行受力分析,得到一般冗余约束绳驱并联机器人的动力学方程.结合力封闭的思想,引入参考力的概念,改进传统的二次规划方法,得到了适用于冗余约束绳驱并联机器人的绳索张力分配优化模型.以八绳六自由度绳驱并联机器人为例,利用MATLAB/Simulink/xPC工具进行实时仿真实验,实现该并联机器人在两种典型空间运动轨迹下的动态运行,分别运用改进的二次规划算法、传统二次规划算法和Closed-form算法求解绳索张力分配问题,比较3种张力分配算法的仿真结果,验证了改进的二次规划算法求解绳索张力分配的合理性.     

绳牵引并联机构奇异性分析及无奇异机构设计

绳牵引并联机构是将驱动器的运动和力以绳为介质并行转换成动平台的运动和力的装置,其末端执行器的自由度数可定义为机构的结构矩阵的所有旋量正张成的实数空间的维数。指出绳牵引并联机构仅有过运动性的奇异类型,阐明该奇异是一种由于位姿几何的特殊导致动平台的力旋量集合的维数降秩的现象;以一个1R2T机构为例指出了机构的奇异性除了会导致机构失去控制,还会导致绳优化拉力分布的不连续性:以1-2-1型的1R2T 机构为例研究动平台的重力会对机构的奇异性所造成的影响,从而发现即便动平台重力无法消除机构的奇异点, 但却能使各根绳的拉力分布重新得以配置。提出用各个转动自由度相互解耦,而平动运动能得到完全控制的机构是无奇异的这个原理来构造无奇异性的1-2-1型的CRPM(1R2T)、2-3-2型的RRPM-7(2R3T)的方法;提出用对心抓取定理构造无奇异性的2-2型的CRPMs(1R2T)和3-3型的CRPM(2R3T)的方法;提出用3维力封闭抓取定理构造无奇异性的3-3-3型的RRPM-9(3R3T)的方法。     

绳牵引并联机构的工作空间优化

采用一种简单的绳拉力计算算法,提出比例系数、质量系数和全局质量系数来衡量工作空间的大小和形状。并针对1个CRPM和1个RRPM的3R3T绳牵引并联机构,比较其动平台处于同一主位姿时工作空间的大小和形状。结果表明:CRPM的平动工作空间比RRPM的大,而转动工作空间比RRPM的小;CRPM的转动工作空间的全局质量比RRPM的大,而平动工作空间的全局质量比RRPM的小。可见,可根据预定的工作空间的大小和形状,通过改变构型配置和机构尺寸来获得优化的构型。     

Rapid optimization of tension distribution for cable-driven parallel manipulators with redundant cables

The solution of tension distributions is infinite for cable-driven parallel manipulators(CDPMs) with redundant cables. A rapid optimization method for determining the optimal tension distribution is presented. The new optimization method is primarily based on the geometry properties of a polyhedron and convex analysis. The computational efficiency of the optimization method is improved by the designed projection algorithm, and a fast algorithm is proposed to determine which two of the lines are intersected at the optimal point. Moreover, a method for avoiding the operating point on the lower tension limit is developed. Simulation experiments are implemented on a six degree-of-freedom(6-DOF) CDPM with eight cables, and the results indicate that the new method is one order of magnitude faster than the standard simplex method.The optimal distribution of tension distribution is thus rapidly established on real-time by the proposed method.     

一种绳牵引并联机构的拉力分布方法

指出了绳牵引并联机构的拉力应满足的一些条件，提出了一种新的拉力分布方法。该方法把绳的拉力分为有效部分和无效部分，使有效部分非负和让无效部分取较小的正值，可确保满足绳拉力大于零的条件，且拉力的分布更加合理，并且两自由度并联机构加以说明，最后用仿真实例加以证实。     

八索立式储罐并联机器人设计及性能优化

针对石油化工行业中广泛应用的大型立式储罐检修任务,传统的脚手架、导轨及爬壁机器人等工作平台存在拆装困难、结构复杂或运行速度较低等缺点,有效载荷能力和工作效率受限制。索并联机构具有工作空间大、承载能力强、模块化等优点,在大型立式储罐的检修领域极具应用潜力。提出一种采用四根支撑杆的八索驱动并联机器人工作平台及出索点位置可调的模块化支撑杆设计;建立了索并联机构的运动学模型和平面简化模型,分析机构参数对其工作空间的影响,并针对20 m口径典型立式储罐给出了优化结构参数;结合索牵引并联机器人的工作平台沿不同轨迹运动时索长、索力变化分析,确定了运动规划时优选运动轨迹。     

A generic force-closure analysis algorithm for cable-driven parallel manipulators

Cable-driven parallel manipulators (CDPMs) are a special class of parallel manipulators that are driven by cables instead of rigid links. Due to the unilateral driving property of cables, the cables in a CDPM must always maintain positive tension. In this paper, a methodology based on convex analysis is developed for the force-closure analysis of fully-constrained CDPMs. This method is systematic, easy to implement and satisfies both the necessary and sufficient conditions. The key point of this method is to define a critical vector that must be positively expressed by the tension vectors associated with the driving cables. The solution can be found by resolving a limited set of linear equations. Following the same approach, the method is also extended to generate the static workspace for under-constrained CDPMs. Therefore, this generic force-closure analysis can cater to the workspace analysis of both fully-constrained and under-constrained CDPMs. The computationally efficiency of the algorithm is verified through simulations.     

约束机构在柔索并联机器人设计中的应用

柔索并联机构是一类新型的机构 ,具有一些优于其他机构的特点 ,但因柔索特性的限制 ,可实现的运动形式较少。本文通过增加约束机构对运动平台运动进行限制 ,扩大了柔索并联机构的应用范围。文章提出约束机构的概念 ,讨论了约束机构的种类 ,并进行奇异位形的分析。