新型3自由度并联机构的设计与分析

基于机构的概念,将一种正方体折纸盒折痕等效为铰链,连接折痕的纸板等效为连杆,抽象出新型3自由度并联机构.该新型并联机构由定平台、动平台和4个连接支链组成,各支链结构完全相同,且都含有1个具有特殊结构的六杆球面变胞机构闭环子链.介绍此新型并联机构结构设计,其特点是结构完全对称,只含有单自由度转动运动副.详细描述各支链中闭环子链的结构特点、一般构态及其自由度数.应用螺旋理论,分析运动支链中闭环子链的自由度特性.根据广义运动副的概念,用广义运动副替代各支链中的六杆球面变胞机构,并分析各运动支链末端约束.依据该并联机构的结构对称性,分析其动平台的自由度数和相应的自由度特性,得到动平台相对于定平台具有2个转动和1个移动自由度,并具有连续转轴.     

3-RPR并联机构的位姿分析及其运动仿真

以3-RPR并联机构为研究对象,对机构进行了运动分析,计算机构的位姿正解和反解,得出机构的六组解,然后用UG软件对机构进行运动分析仿真,分别对于单轴驱动和三轴驱动下机构的动平台的位移,速度和加速度的分析,为该机构的以后的分析研究和开发奠定了基础。     

含有冗余支链的3-RPS/3n-SPS并联机构逆动力学建模

提出一类含有冗余支链的3-RPS/3n-SPS并联机构,为解决该类机构的逆动力学问题,首先对机构进行运动学分析,建立支链与动平台末端的速度、加速度映射关系,并对运动学模型进行仿真验证;之后对3-RPS/3n-SPS机构进行受力分析,列出的平衡方程数目少于未知量个数,基于机构分支作用力与动平台末端位姿误差间的协调关系构建动力学补充方程,求解出该类机构中所有运动副的约束反力和机构分支作用力;基于达朗贝尔原理对机构进行逆动力学建模,建立了机构末端力和各杆件惯性力与机构分支作用力间的关系表达式,求解了3-RPS/3-SPS机构分支作用力、运动副约束反力及动平台位姿误差,通过分析机构分支作用力、运动副约束反力、动平台位姿误差随时间的变化规律,验证本文建立的3-RPS/3n-SPS并联机构动力学模型的正确性。所得到的动力学结果为该类机构的进一步研究和工程应用奠定了理论基础,此外该逆动力学建模方法也可用于其他含有冗余支链的并联机构中。     

基于螺旋理论对3-RPS并联机器人运动学分析及仿真

3-RPS型并联机构具有3个结构对称的支链形式,每个支链由一个转动副连接基座,一个球面副与动平台相连接,转动副与球面副由移动副所连接。采用螺旋理论对3-RPS型并联机器人自由度分析,采用反螺旋的方法建立约束雅可比矩阵、运动雅可比矩阵和完整雅可比矩阵,导出了动平台的速度到驱动关节速度之间的映射,从而计算出末端执行器的速度、加速度并进行奇异性分析。基于Matlab SimMechanics软件建立3-RPS型并联机器人仿真模型,进行运动学仿真对比研究,结果表明:动平台的实际输出变化与给定的参考值变化基本相符,验证了该建模方法的正确性。     

新型完全各向同性3T并联机构及其特性分析

针对并联机构耦合带来运动学分析与控制困难的问题,提出了一种新型完全各向同性的三维移动并联机构,该并联机构动平台和静平台之间由3条支链连接,3条支链的第一个移动副在空间中呈正交分布,使得该机构的动平台具有3个移动自由度,且输入输出一一对应。这种机构最突出的优点是运动副简单,三维移动解耦,运动学分析简单,便于该机构运动控制设计。采用螺旋理论分析了该机构的自由度及性质,确定了机构的主动副,给出了机构的位置和速度正反解,分析了机构工作空间及运动性能。根据机构输入输出关系,求得机构雅可比矩阵,验证了机构具有完全各向同性。研究结果对该机构的进一步应用具有理论指导意义。     

对称两转一移3-UPU并联机构的动力学分析

对一种空间3自由度3-UPU对称并联机构进行动力学分析和联合仿真研究。该并联机构由两个完全相同的平台通过3个同样的UPU支链连接而成,其动、定平台始终关于一个中间平面对称,该机构具有两个转动自由度和一个移动自由度。利用矢量法推导机构各构件的速度与加速度,求解机构各分支的雅可比矩阵,运用虚功原理建立3-UPU并联机构的动力学模型。利用联合仿真技术对该并联机构动力学模型进行验证,通过两个运动算例验证了该动力学建模方法的可行性和有效性,特别是利用该动力学模型分析这个机构在发生定轴转动时的动力学特点,为该机构的进一步研究及实际应用奠定了基础。     

一种无耦合移动并联机器人机构的结构设计与运动学分析

提出一种3自由度无耦合空间移动并联机器人机构,该机构由动平台、静平台以及连接两平台的3条具有相同结构的分支运动链组成。基于螺旋理论分析机构的运动输出特性,推导出机构位置、速度以及加速度的解析表达式;由于其雅可比矩阵为3×3阶对角阵,表明该机构的输入运动和输出运动呈一一对应的关系。利用Matlab和SolidWorks软件绘制出虚拟样机的位移、速度、加速度仿真曲线,验证了理论分析的正确性。最后,对机构的奇异性和工作空间进行了分析。     

基于影响系数法的平面3RRR并联机构运动求解研究

分析了平面3RRR并联机构的运动结构,得到求解机构运动的位置逆解方程。应用影响系数的直接法写出机构一阶二阶影响系数,得到驱动连杆与动平台之间速度与加速度的映射关系方程。以给定尺寸参数的平面3RRR并联机构为例,分别用MATLAB编程计算和ADAMS软件运动仿真,得到机构运动的位置、速度及加速度曲线。两种运动求解曲线的吻合,证明了运动方程分析的正确性。在可靠的运动速度仿真结果基础上,利用求一阶导得到机构运动的加速度正解。简便可靠的求解过程为其它并联机构运动分析提供方法参考。     

一种特殊的3-UPU并联角台机构的运动分析

分析了一种特殊的三自由度3-UPU并联角台机构(支链移动副两端转动副相互垂直)的若干运动学问题。利用虚设机构法导出了机构在初始位形下和沿X轴移动时的一阶综合影响系数矩阵,建立了动平台输出速度与输入速度之间的关系,并绘制了速度和加速度的曲线图。研究结果对该并联机器人的设计及应用都具有重要的意义。     

基于螺旋理论的3T1R完全解耦并联机构型综合

利用螺旋理论和独立驱动原则对3T1R类完全解耦并联机构进行型综合。首先根据期望3T1R完全解耦并联机构的运动特征(沿X、Y、Z轴方向的移动和绕Z轴方向的转动)和完全解耦并联机构的正逆雅可比矩阵必为对角阵的要求,利用螺旋理论来构造满足所期望形式的正逆雅可比矩阵;然后根据正逆雅可比矩阵所要满足的条件,确定支链驱动副作用于动平台上的使动螺旋,再得到该使动螺旋对应支链上的表示驱动副的驱动螺旋和除驱动螺旋之外的其他运动螺旋系,根据支链连接度的不同,可以配置支链的所有可能构型;最后根据并联机构运动原理依次取出四条支链连接动平台和定平台得到3T1R完全解耦并联机构。综合的并联机构的输出运动是由支链上独立的输入驱动提供的,且机构的正逆雅可比矩阵在运动过程中始终保持为对角阵,所以属于完全解耦并联机构,此类机构控制简单,具有一定的应用前景。     

基于李群的两种1R3T并联机构自由度分岔

运用李群理论对1R3T(R--转动自由度;T--移动自由度)并联机构自由度分岔特性进行分析.简要介绍李群理论应用于并联机构自由度分析所需理论基础,对2-~xP~yR~yR~xR~xR/~yP~xR~xR~yR~yR并联机构和2-~xP~yR~uP~xR~xR/~yP~xR~vP~yR~yR并联机构进行自由度分析,通过对分支运动链产生的位移流形及所有分支位移流形的交集分析,证明这两种并联机构具有自由度分岔特性,其动平台的位移集合为{X(x)}∪{X(y)},进而得到具有自由度分岔特性的1R3T并联机构的分支位移流形为{G(x)}{G(y)}或{X(x)}{R(N,y)},同时给出机构的结构几何条件.当动平台平行于定平台时,该类机构处于奇异位形,此时动平台具有5瞬时自由度,机构的自由度分岔通过这一奇异位形实现,需要5个驱动器实现动平台运动的完全可控.     

一种单输入3T1R并联振动筛主机构的拓扑结构和运动学分析

根据基于方位特征(POC)的并联机构拓扑结构设计理论,提出了一种新颖的、可用作并联振动筛振动驱动单元的单自由度输入、三平移一转动输出(3T1R)的并联机构。本文分析了该机构的拓扑结构特性,进行了机构的运动学求解;运用MATLAB软件得到了机构动平台(振动筛筛面)的输出速度及加速度变化曲线,并采用ADAMS软件进行运动仿真,验证了机构动平台上不同位置点的运动轨迹、速度及加速度的变化规律;最后由EDEM软件分别对并联振动筛与传统的直线振动筛进行筛分试验仿真,给出了筛分效率的结果。为少自由度输入并联机构的设计和应用提供了一定的理论基础。     

三转一移解耦并联机构型综合

通过分析解耦并联机构的输入输出特点,基于支链独立驱动原则和螺旋理论提出了三转一移(3R1T)解耦并联机构构型综合方法。首先,基于解耦并联机构的雅可比矩阵为非零对角阵的要求,利用螺旋理论构造出满足期望要求的正逆雅可比矩阵,以确定支链驱动副作用于动平台上的使动螺旋,再得到该使动螺旋对应支链上的表示驱动副的驱动螺旋和除驱动螺旋之外的其他运动螺旋系,根据支链连接度的不同,可完成支链结构螺旋系的配置;最后根据解耦并联机构分支组合原则,依次选取四条支链连接动平台和定平台,得到3R1T解耦并联机构。综合的解耦并联机构的输出运动是由支链上独立的输入驱动提供的,属于解耦并联机构,此类机构结构紧凑,控制简单,具有一定的应用前景。     

平面3-PRP型并联机构运动学及奇异性分析

平面3-PRP型并联机构在平面上具有3个结构对称的支链形式,每个支链由一个移动副(P)连接基座、1个移动副(P)与动平台相连接,2个移动副通过转动副(R)所连接。采用矢量分析方法对3-PRP型并联机构运动学正/反解进行求解,并基于雅克比矩阵对其速度和奇异性各向同性配置进行分析。仿真结果表明,3-PRP型并联机构在工作区域内无奇异位形,并可通过运动参数的调节提高运动精度。     

六自由度完全解耦并联机构型综合

通过分析解耦并联机构的输入输出特点,基于支链独立驱动原理和螺旋理论提出了6自由度(3R3T)完全解耦并联机构构型综合方法。首先,基于完全解耦并联机构的雅可比矩阵为非零对角阵的要求,利用螺旋理论构造出满足期望要求的正逆雅可比矩阵,以确定支链驱动副作用于动平台上的使动螺旋;再得到该使动螺旋对应支链上的表示驱动副的驱动螺旋和除驱动螺旋之外的其他运动螺旋系,据此可完成支链结构螺旋系的配置;最后,根据完全解耦并联机构分支组合原理,依次选取6条支链连接动定平台,得到多种3R3T完全解耦并联机构。综合的完全解耦并联机构的输出运动是由支链上独立的输入驱动提供的,且机构的正逆雅可比矩阵在运动过程中始终保持为对角阵,所以属于完全解耦并联机构,此类机构结构紧凑,控制简单,具有较好的应用前景。     

3-RRR 3自由度球面并联机构静刚度分析

3自由度球面并联机构是重要的少自由度机构之一,各支链的构件为球面上的弧杆,其刚度计算十分复杂.基于此,采用计算杆件变形的方法,利用小变形叠加原理,推得机构动平台的角位移、球心点线位移与各支链两构件上力的关系.利用机构静力学分析的结果,即支链两构件上的力与动平台上的外力关系,建立机构动平台、球心点位移与外力的关系.进而得到机构的整体柔度、刚度矩阵.采用正交变换方法,得到机构的6个主刚度指标,最大、最小刚度及所在的方向.研究结果表明,机构的主刚度及主方向随着机构运动位姿的变化而变化,远离零点逐渐增大,其中3个主刚度(即扭转刚度)较大,另3个主刚度(线位移刚度)较小,两者差距巨大.研究成果为该机构的工程设计和应用提供了理论基础.     

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.     

并联机构支链误差耦合分析

针对并联机构误差耦合进行了分析研究.对一种3自由度并联机构进行分析,利用空间矢量链法建立误差模型,用数值法和解析法对机构进行正解计算,通过1阶摄动法将各支链不同误差代入误差模型中.虽然每条支链各部分的误差最终会累积到各个支链的末端,并且支链末端的误差也有各自的方向性,但最终体现在并联机构动平台中心处的误差并不是各支链各方向的累加,其最后体现到动平台末端的误差要比各支链方向累积要小,其主要原因是并联机构特殊的结构抵消了一部分支链误差.对六自由度Stewart机构也进行误差耦合分析,将不同误差代入矢量链误差模型,得出支链误差,再将支链误差代入数值法方程中研究,发现动平台误差也小于各支链平均误差.     

2-(CRR)2R结构降耦并联机构及其运动学分析

提出一种能实现三移动一转动(3T1R)的新型完全对称4-CRU并联机构,其4条支链结构完全相同。基于单开链理论及结构降耦原理,对4-CRU并联机构进行结构降耦设计,得到耦合度κ=1的低耦合度2-(CRR)_2R并联机构。其优点在于动平台由两条混合支链并联构成,且支链完全对称,机构姿态转角相对较大。2-(CRR)_2R并联机构耦合度降为1,极大地降低了机构位置正解的难度,有利于机构运动学分析。根据该机构的几何关系与运动约束,建立位置正解的一维搜索模型,再应用黄金分割法求出全部高精度位置正解。推导出机构位置逆解方程,应用数值实例验证了位置正、逆解的正确性。采用矢量法对机构动平台速度及加速度进行分析,得出速度及加速度正、逆解,并利用MATLAB软件编程进行数值计算。同时,应用Adams进行运动学仿真分析,验证了自由度分析的正确性;其运动学分析曲线与MATLAB计算结果一致,表明文中建立的解析模型和分析方法是正确、可行的。     

6－UPS型并联机构的刚体动力学模型

建立了6－UPS型并联机构的动力学模型。为了能使动力学模型包含所有构件的重力和惯性力,以6－UPS并联机构的支链为研究对象,运用D－H方法建立了各构件的坐标系,推导了支链的运动学反解的解析方程,并给出了各个构件的速度、加速度与动平台的速度、加速度的映射关系。然后用牛顿－欧拉方法推导了6－UPS并联机构的动力学模型,为支链中各个构件支反力的求解和整个机构的动力学分析奠定了基础。最后以并联机床为例,运用动力学模型进行了实际计算并绘制了连杆驱动力的变化曲线。