并联机构工作空间与奇异位形综合研究

用矢量分析和几何分析的方法建立了平面3自由度并联机构工作空间的几何形状与结构参数的解析关系。将并联机构的奇异位形分为关节空间奇异和操作空间奇异,根据机构速度关系矩阵的特征,找出了机构全部的奇异位形,给出各种奇异位形的几何意义,得到极其简明的奇异位形的解析条件。采用MATLAB实例仿真,得到各类奇异位形在工作空间的轨迹和分布特征,提出确定机构无奇异位形最大工作空间的方法。     

3-RTT并联机器人奇异位形空间分析

采用基于机构瞬时运动分析的方法，建立了3—RTT并联机器人的奇异位形判别阵。分析了3—RTT机器人处于奇异位形时机构所满足的几何条件。编制了基于三维搜索算法的奇异位形空间分析程序，时实例进行搜索计算和分析，给出了3-RTT机器人的奇异位形空间的图形，并对其分布规律进行了分析。     

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。     

双稳态平面并联机构

以提高多自由度并联机构的运动性能为目标,探索柔顺双稳态机构在克服并联机构力奇异问题中的应用。提出一种双稳态凸轮柔顺机构,利用双稳态机构在非稳态位形的非零内力,为并联机构提供柔顺过驱动输入,利用柔顺过驱动输入消除并联机构在运动奇异和力奇异位形时的运动或操作力不确定性。以平面五杆2-DOF并联机构为例进行了机构工作空间分析、运动奇异位形分析、以及力奇异位形分析。计算结果证明采用提出的双稳态凸轮柔顺机构能实现该平面2-DOF机构奇异位形的控制。     

3/6-Stewart并联机构奇异轨迹的性质识别

基于并联机构奇异位形产生的运动学原理,推导出3/6 Stewart并联机构奇异位形的解析表达式。并基于此原理 提出了分析并联机构奇异位形的等效机构法,利用此方法推导出了当3/6 Stewart并联机构位于一般姿态时在θ 平面上 的奇异轨迹方程并对其轨迹性质进行了识别。在这些分析的基础上,对该并联机构处于各种姿态时的奇异轨迹的性质 进行了总结。     

同构支链H4并联机构的奇异性分析

H4机构对应于一组具有良好动态特性的并联机构,其动平台中心构件有3移动自由度和1转动自由度.这组并联机构中有4种同构支链机构,每一条支链均内含1个(S-S)2四边形杆组,差异之处是主动关节的形式或支链在动、定平台之间的布位方式彼此不同.根据这4种同构支链并联机构的结构组成分析,建立机构动平台及支链的力学平衡方程,得到机构的力雅可比矩阵.在此基础上采用线几何法对同构支链并联机构的位形奇异性进行分析,给出机构发生支链奇异、平台奇异和驱动奇异的判别条件,分析机构在奇异位形的运动性质.针对一种同构支链并联机构,列举机构处于支链奇异、平台奇异和驱动奇异状态时的位形示例.     

新型三自由度并联机器人奇异位形研究

针对一种新构型的3-RRRT并联机器人奇异位形进行了研究,提出了一种建立运动学模型与研究奇异位形的方法,利用并联机器人支链中支杆的方向余弦和动平台绝对位置坐标为系统广义坐标的方法,推导了机构运动学模型和计算奇异位形的条件方程,在此基础上,提出运用浮点遗传算法和拟牛顿法相结合的混合遗传算法在MATLAB上编制奇异位形仿真程序,得到3-RRRT并机器人奇异位形分布情况,此结论对3-RRRT并联机构的运动控制及轨迹规划有重要意义.     

新型并联机器人的奇异位形分析

奇异是并联机器人的固有性质,对机器人的工作性能有着种种影响,因此对于确定的机构,找出它的所有奇异位形具有重要的意义.从运动学角度分析,奇异位形有三类形式,每种形式都具有不同的物理意义.基于以上原因,研究一种新型6自由度3支链并联机器人3-UrPS的奇异位形,其中Ur为复合胡克铰,即2自由度球面并联机构,P为移动副,S为球副.根据机构自身的几何特点,非常方便地得出反解的唯一解析形式.对机构的反解方程进行求导,得出有规律的速度雅可比矩阵,然后通过求解雅可比矩阵的行列式,使奇异位形的解析形式很容易得出.讨论该并联机器人的第1类和第2类奇异位形,并得出3种特殊位置的奇异位形.奇异位形的分析对该并联机器人的轨迹规划和控制具有重要的意义.     

一种冗余驱动并联机构的设计与奇异性分析

在Delta机构的基础上提出一种含冗余驱动的三平移并联机构。基于螺旋理论计算了该并联机构的自由度,分析了位置反解,推导出雅可比矩阵,结合Gosselin奇异分析法,对Delta机构的奇异位形进行分析并找出两种新的奇异位形。将Delta机构和冗余驱动并联机构的奇异性进行比较,为了验证理论分析结果,引入可操作度这一运动性能指标,基于数值法对两种机构的奇异性进行比较。理论分析结果表明冗余驱动并联机构可以实现和Delta机构相同的功能,但其第二类奇异位形明显比Delta机构少;数值分析结果表明选取合适的工作空间和机构参数可减少并联机构的奇异位形,同时也验证了理论分析结果的正确性。     

基于非瞬时支链位形设计的并联机构内部奇异消除方法研究

依据螺旋理论系统分析了并联机构的约束奇异、驱动奇异和支链奇异,位于工作空间内部的约束奇异和驱动奇异的位形是对机构性能影响最为严重的位形。提出了一种基于非瞬时支链位形设计的并联机构内部奇异消除方法,以3-RRR型、4-RPTR型和3-RRRT型并联机构为例,系统阐述了该方法的设计过程。结果表明,除动平台和基平面重合的位形以外,该方法能够消除其他所有内部奇异位形。       

平面并联机器人的奇异性分析及仿真

针对平面并联机器人,在理论上对其进行了奇异性分析,根据速度方程中的雅可比矩阵的行列式值将其分为三类:逆运动奇异、正运动奇异及综合奇异.文中以最为常见的曲柄滑块机构及3RRR并联机器人为例,分别进行了奇异性分析,然后利用ADAMS对奇异状态下的机构进行了运动仿真,验证了理论分析结果,使结果更为直观.     

一种可用于微创手术的并联机构运动学分析与性能优化

与串联机构相比,并联机构具有刚度好,精度高,响应快等优点,适合用于医疗领域。微创穿刺活检等手术要求机器人机构能够输出远中心运动。提出了一种用于微创手术的新型远中心并联机构,其分支内部包含平行四边形闭环子链。采用螺旋理论对机构自由度进行了分析,证明其能输出两个转动运动和一个移动运动,且所有运动均通过远端固定中心。对机构进行位置分析,建立了驱动参数与末端参数之间的映射。通过速度分析建立了雅可比矩阵,并分析得到了机构的奇异位形,包括逆解奇异、正解奇异和混合奇异。应用搜索法分析了机构的工作空间。采用运动/力传递指标对机构进行了性能分析,绘制工作空间内的性能图谱。以优质空间大小为目标对机构进行了尺度优化。     

冗余机械臂运动奇异性分析

作为冗余机械臂结构设计和控制算法设计的理论基础,本文对机械臂的运动奇异性问题进行了分析。引入了冗余机械臂零运动微分动力系统的概念,根据非线性奇异性理论,研究了冗余机械臂奇异状态的局部拓扑性质及可回避性,提出了一种冗余机械臂系统奇异状态类型及可回避性的新方法,其结果适用于任意冗余的机械臂系统。     

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。     

Stewart并联机构运动失控性研究

为了确定机构在分岔点附近的运动行为,利用同伦法和静态分岔条件,构造了一种能够获得Stewart机构全部构型分支曲线及其分岔点的算法。基于提出的构型分岔分析和最大失控域概念,研究了分岔点附近的机构失控自由度。结果表明,增大输入参数的控制精度可以有效地提高机构在奇异位置附近的运动可控性。     

避免设计位形下发生平台奇异的三自由度转动并联机器人设计方法

设计一种基于反螺旋理论的系统方法,给出了具有三个转动自由度的并联机器人的设计要求。分析了产生平台奇异时三条支链所提供的反螺旋的线性关系,利用三条支链对平台所提供的特殊约束,避免设计位形下发生平台奇异现象。给出了设计该类结构的运动副组成类型和空间放置原则。     

Singularity analysis with respect to the workspace of a double parallel manipulator

Singularity analysis is an important issue in the design of parallel manipulators, since they become uncontrollable at singular configurations due to the rank deficiency of the Jacobian. This paper analyzes the singularity of a double parallel manipulator with respect to its workspace. The workspace is decoupled into a positional workspace generated by the first parallel mechanism, and an orientational workspace by the second mechanism. The singularities occurring outside each workspace are analytically found by a Jacobian matrix derived for the velocity transformation from the end-effecfor to the linear actuators. The singularity loci are presented and their geometric properties are examined to prove that the double parallel manipulator is free from the singularity problem.     

平面柔性并联机器人动力学建模

利用有限元理论研究柔性并联机器人动力学建模的理论和方法,分析各支链的弹性位移及其耦合关系,建立柔性并联机器人系统的运动约束条件和动力约束条件。综合考虑构件的分布质量、集中质量以及杆件的剪切变形、弯曲变形、拉压变形和横向位移的影响,运用运动弹性动力学理论和Lagrange方程,推导出平面柔性并联机器人的动力学方程。以平面3-RRR柔性并联机器人为例,说明该动力学模型能正确反映柔性并联机器人的弹性振动特性,杆件的弹性变形对机器人动平台的位置误差和方向误差具有重要影响。     

STRUCTURE SYNTHESIS OF 4-DOF PARALLEL ROBOT MECHANISMS BASED ON SCREW THEORY

Structural synthesis for 4-DOF parallel manipulators using screw theory is systematically studied. Motion properties and constraint conditions of 4-DOF parallel manipulators according to the relationship between screw and reciprocal screw are analyzed. Mathematical expressions for constraint screws and twist screws of moving platform are constructed, and all possible limbs, which provide one or more force constraints, are enumerated. Finally, a parallel manipulator with 3-rotation-DOF and 1-translation-DOF is used as an example to describe the synthesis procedure for symmetrical and non-symmetrical 4-DOF parallel manipulators.     

Optimization of parallel manipulator trajectory for obstacle and singularity avoidances based on neural network

This paper presents a novel method for singularity-free path planning and obstacle avoidance of parallel manipulators. A modified 3-4-5 interpolating polynomial is used to plan a trajectory for a planar 3-DOF parallel manipulator. The polynomial function which is smooth and continuous in displacement, velocity, and acceleration is used to find a smooth path avoiding the obstacles and singularities. An artificial neural network is implemented to solve forward kinematics of the manipulator to estimate the distance between gripper and singularity or obstacle. The simulating results demonstrate the efficiency of the proposed algorithm.