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。     

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。     

平面3RPR并联机构拓扑结构优化与性能分析

平面3RPR并联机构是一种能实现两平移一转动典型的精密微动机构,根据方位特征（POC）方程分析出机构的耦合度为1,此机构输入输出不具有运动解藕性。基于此,以运动解耦为优化目标,通过结构降耦原理对机构进行拓扑结构优化,设计一种零耦合度（k=0）的平面精密微动机构,利用方位特征（POC）方程验证降藕的可行性,此机构具有位置正解解析式且执行末端运动解耦性优点,同时,分别对拓扑结构优化的平面精密微动机构进行运动学分析,同时分析机构的工作空间、奇异性、转动能力等特性,结果表明：与原平面3RPR并联机构相比,拓扑结构优化后的平面精密微动机构具有较好的综合性能。     

并联机构拓扑结构特征分析软件的框架设计及实现

基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑结构设计方法提出了机构POC、自由度和耦合度等拓扑结构特征指标,用于揭示并联机构结构学、运动学和动力学的一些基本特性,但其人工计算、分析过程冗长、复杂、费时,所以研究了拓扑结构特征指标计算机自动分析软件的总体框架及其实现流程。首先,提出了能自动识别支链运动副轴线关系的并联机构字符串描述模型,以及支链POC集的矩阵描述模型;基于此描述模型,研究了POC集"交"和"并"运算规则的算法,给出了机构POC、自由度和独立位移方程数的自动分析流程;接着,给出了并联机构拓扑结构最佳分解路线的算法,制定了机构耦合度自动化分析的实现流程。最后,利用VC++编程开发了程序,并对并联机构进行了实例计算,其结果与人工计算分析一致。该算法和程序有助于更多的机构学研究和设计人员,较易计算、分析并联机构的拓扑结构特征。     

一种新型3T2R并联机构的降耦设计及其位置分析

基于方位特征方程(POC)的并联机构拓扑设计理论及方法,设计出了一种五自由度三平移两转动(3T2R)的并联机构,并对该机构进行了拓扑特征分析,发现其为拓扑强耦合(耦合度k =2),表明该机构的位置正解求解困难、复杂,不利于后续的尺度综合与优化、误差分析及动力学分析;为此,对其进行拓扑降耦设计,即在基本功能(DOF、POC)不变的情况下,将其耦合度降为k = 1;继而给出了降耦后的机构基于拓扑特征的运动学建模方法,同时采用了 一维搜索法较易求得了该机构位置正解的数值解.     

一种并联振动筛驱动机构的结构降耦设计及刚度分析

以一种单自由度输入、三平移一转动输出的并联振动筛驱动主机构为例,采用结构降耦设计方法将其耦合度由2降为1,通过并联机构拓扑结构设计方法确定了机构的驱动副及其安装方位,并基于螺旋理论运用虚拟弹簧法分析了该机构降耦前后的结构刚度及其变化,为少输入-多输出并联机构的优化和应用提供了参考。     

混合驱动1T3R结构降耦并联机构运动学分析

基于方位特征集理论及并联机构降耦原理,设计一种新型混合驱动1T3R结构降耦并联机构,该机构具有局部运动解耦特性。通过对其进行拓扑结构分析,得出动平台方位特征集的类型,计算出机构的自由度及耦合度。运用空间投影原理及位姿变换矩阵方法,推导出机构位置正反解的显式表达式。运用MATLAB软件编程,分别得出机构位置正、反解数值算例,其数值结果完全吻合,表明位置正反解模型正确可靠。运用MATLAB软件编程和Adams软件运动仿真得到机构角位移曲线,两者结果一致,验证了运动理论分析模型的正确性。基于运动仿真三维模型,直接得出机构的角速度、角加速度曲线。     

3-RRR平面并联机构的拓扑结构优化及其运动学性能改善

典型3-RRR平面并联机构是一种具有两平移一转动输出的平面定位、传送装置,其应用较广。首先计算出该机构的耦合度k=1;其次,基于结构降耦原理,设计出一种零耦合度(k=0)的平面定位传送降耦机构,从而极易求得其位置正解解析式,且使得动平台的输入-输出具有运动解耦性;进一步,对该降耦机构的工作空间、奇异位形进行了分析。比较表明:降耦机构比原始机构的综合性能更为优越,结构降耦是机构拓扑结构优化的一种有效方法。     

一种单自由度3T1R并联机构的拓扑设计及其运动学

根据基于方位特征方程的并联机构拓扑设计理论和拓扑降耦设计方法，设计了一种新的少输入-多输出（Fi-Mo）型单自由度三平移一转动（3T1R）输出的并联机构，对其拓扑特性进行了分析，给出了该机构的方位特征集、自由度及耦合度κ；根据基于序单开链的运动学建模原理，给出了该机构的位置正解求解方法及其数值解；同时导出了其位置反解求解公式及机构的速度与加速度公式，并进行了速度与加速度的仿真。最后给出了该机构可用作并联振动筛的3D虚拟样机设计。研究结果为该类单自由度3T1R型并联振动筛机构的尺寸优化设计、样机研制打下了基础。     

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。     

一类新型六自由度并联机构及其结构分析

对一类新型六自由度并联机器人机构的结构组成及其结构特性（包括机构运动自由度计算、运动输出特性、运动学与动力学复杂性、输入-输出运动控制解耦性、驱动器可配置性等）进行了详细的分析,为其运动学和动力学分析、机械结构设计及其在虚拟轴机床、坐标测量机、娱乐运动平台和机器人等并联运动装备中的潜在应用打下基础。     

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。     

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...     

Type Synthesis of 1T2R Parallel Mechanisms Using Structure Coupling-Reducing Method

Direct kinematics with analytic solutions is critical to the real-time control of parallel mechanisms.Therefore,the type synthesis of a mechanism having explicit form of forward kinematics has become a topic of interest.Based on this purpose,this paper deals with the type synthesis of 1T2R parallel mechanisms by investigating the topological structure coupling-reducing of the 3UPSUP parallel mechanism.With the aid of the theory of mechanism topology,the analysis of the topological characteristics of the 3UPSUP parallel mechanism is presented,which shows that there are highly coupled motions and constraints amongst the limbs of the mechanism.Three methods for structure coupling-reducing of the 3UPSUP parallel mechanism are proposed,resulting in eight new types of 1T2R parallel mechanisms with one or zero coupling degree.One obtained parallel mechanism is taken as an example to demonstrate that a mechanism with zero coupling degree has an explicit form for forward kinematics.The process of type synthesis is in the order of permutation and combination;therefore,there are no omissions.This method is also appli cable to other configurations,and novel topological structures having simple forward kinematics can be obtained from an original mechanism via this method.     

基于约束函数的变胞机构变胞方程

变胞机构拥有多个变换的稳态和变胞态,其拓扑构态描述与分析是变胞机构结构学的难点。采用数学分析方法,探索全面、简便而准确地描述和分析变胞机构构态拓扑结构的问题。根据运动副约束的特征,定义反映运动副类型、级别、自由度、方位、性质及其随时间变化情况等诸多特征信息的参数——运动副约束函数,采用矩阵法构建以约束函数为元素的机构变胞源运动链邻接矩阵。针对合并构件、分离构件、改变构件性质、新增运动副、消除运动副及改变运动副性质等六类机构变胞方式,分别定义相应的机构变胞函数和变胞矩阵,建立相邻稳态之间变胞态的机构变胞方程。应用实例表明,所定义的运动副约束函数、运动链邻接矩阵、变胞矩阵和变胞函数等概念能简便、广泛地描述变胞机构的构态特征,基于约束函数的机构变胞方程能准确地描述和分析机构相邻稳态之间变胞态的变换过程,为变胞机构的结构分析提供一种新的途径和方法,并为进一步的变胞机构运动学和动力学分析以及机构综合研究提供理论基础。     

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。     

两层两环空间耦合链机构自由度分析原理

自由度分析是机构构型综合、运动学和动力学研究的基础。过去的几十年,国内外学者主要对空间并联机构自由度分析开展了研究。研究比空间并联机构更加复杂的两层两环空间耦合链机构的自由度分析原理。通过推导两层两环空间耦合链机构的运动螺旋方程,建立耦合链带来的耦合关系的数学模型。基于运动螺旋方程,建立空间耦合机构中刚性子结构的判别方法和自由度分析原理。利用两层两环空间耦合链机构的等效子并联机构的分支运动螺旋系线性组合的特点可以实现自由度性质分析。两个典型的例子被用来说明提出方法的有效性。     

通用型线电动涡旋压缩机的结构设计及动态仿真

根据通用涡旋型线的特性建立了切向角系数参数化模型;针对电动汽车涡旋压缩机防自转结构的动力特性问题,建立了圆柱销防自转机构的机构模型;基于圆柱销防自转结构的工作原理,从机构学和运动学的角度分析了圆柱销的受力。利用UG软件平台,实现动涡旋盘及电动涡旋压缩机其他零件的三维实体建模,构建虚拟样机模型。通过运动仿真,获得准确的运动学参数曲线,确保圆柱销防自转结构设计的准确性和可靠性。