基于球面并联机构的检测平台设计与性能研究

为提高光电产品自动视觉检测的准确性,研制了一种含冗余驱动支链的4SPS/S球面并联调姿平台样机。含冗余驱动支链的4SPS/S并联机构为调姿平台机构本体,具有绕动平台中心点的3个转动自由度,可以实现待检零件任意角度图像信息的获取。建立了该并联机构的运动学模型,导出了机构位置逆解方程和雅可比矩阵;基于雅可比矩阵的秩讨论了机构的奇异性,并验证了冗余驱动支链能消除机构内部奇异;基于雅可比矩阵的非冗余分解,提出了一种评价冗余驱动并联机构力传递性能的指标。分析机构动定平台球铰安装方式对机构运动学性能的影响,得到了机构姿态空间体积大、灵巧度好的动定平台球铰安装方式;设计制作了球面并联检测平台样机,分析并绘制了样机姿态空间以及灵巧度、力传递性能在姿态空间内的分布。结果表明,样机转动空间大,无内部奇异,灵巧度和力传递性能高且分布均匀,能满足光电产品瑕疵检测的工艺要求。     

对称4自由度3R1T并联机构雅可比分析

针对对称4自由度3RIT并联机构提出一种雅可比分析方法.首先运用位移群理论分析3RIT并联机构的自由度特性,得到动平台在空间的运动为四维位移流形,然后运用螺旋理论建立单个分支运动链的雅可比矩阵,该矩阵为6×5长方阵:再利用该类并联机构的自由度特性证明6×5的分支雅可比矩阵的第四行和第五行为冗余元素,删除其中之一则可把分支雅可比矩阵简化为5×5方阵,该方阵在机构非奇异位形下满秩.在选定并联机构的驱动副后,对每个分支简化后的5×5雅可比方阵求逆,再分别取出逆阵中对应于驱动副的行矢量构成一个4×5长方阵,由于该长方阵的第四列元素始终与0相乘为冗余信息,删除该列元素后得到一个4×4可逆方阵,对之求逆即得整个4自由度3RIT并联机构的雅可比矩阵.该方法简捷易行,可进一步应用于3R1T并联机构的性能分析和运动学设计.     

空间2自由度冗余驱动并联机构运动学性能分析

面向建筑机器人领域的高性能机械臂需求,提出了一种空间2旋转自由度的3-UPS&U冗余驱动并联机构。基于螺旋理论和修正的G-K公式对机构的整体自由度进行分析,确定了其围绕恰约束支链万向副旋转的运动特性。建立驱动参数与末端参数之间的映射关系,得到其工作空间模型。通过主驱动并联、从动约束串联的独立建模,构造了该并联机构完整的广义雅可比矩阵,进一步得到动平台末端中心点线速度与驱动关节速度之间的无量纲化雅可比矩阵,并据此建立了特定工作空间下机构的灵巧度、承载能力和刚度性能评价指标。最后结果表明,3-UPS&U冗余驱动并联机构进行较高频次上下摆动作业时,在约束支链所布置的对应转轴方向上,具有更佳的综合运动学性能,且能大大降低性能衰减的幅度。     

一类带冗余支链并联机器的运动学自标定

利用冗余支链测量信息,对一类带冗余支链并联机器的运动学参数进行自标定。通过矢量闭环微分法,建立冗余支链运动学误差模型,并通过多个位姿处误差传递矩阵的组合,得到自标定的辨识雅可比矩阵。针对部分运动学参数误差辨识性差的问题,提出一种基于辨识雅可比矩阵各列线性相关性分析的辨识性分析方法,得到可辨识的运动学参数误差线性耦合式,并简化误差辨识方程使辨识性提高。最后利用冗余支链角度编码器测量信息,完成一个4RRR冗余并联机器的运动学自标定,仿真结果显示,基于冗余支链的运动学自标定能有效提高冗余支链和机构终端运动精度。     

冗余驱动支链对3RPS并联机构刚度的改善

在考虑雅可比矩阵变化与动平台姿态偏移之间映射关系的基础上,基于螺旋理论和矢量微分法建立了3RPS并联机构末端位姿偏移与支链构件变形之间的映射模型。首先采用螺旋理论和矢量微分法分析了支链各构件刚度与整个支链刚度之间的关系,然后建立了3RPS并联机构的瞬时刚度模型,并分析了雅可比矩阵的变化对机构刚度的影响。对冗余驱动支链改善并联机构刚度的原理进行了分析,建立了冗余驱动并联机构的整机刚度模型。仿真分析和实验验证,冗余驱动支链确实能够改善并联机构的刚度。     

无耦合完全各向同性1T1R并联机器人机构构型综合

基于螺旋理论对具有无耦合、完全各向同性特点的1T1R并联机构进行了构型综合,综合的并联机构采用支链独立驱动原则,即并联机构的输出运动是由独立的输入驱动提供的。首先根据期望1T1R并联机构的运动特征(沿Z轴的移动和绕Z轴的转动)和完全各向同性并联机构的正逆雅可比矩阵必为对角阵的要求,利用螺旋理论构造满足所期望形式的正逆雅可比矩阵;其次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,据此可完成支链结构螺旋系的配置;最后根据约束螺旋理论依次取出两条支链连接动平台和定平台得到并联机构。通过这种方法得到大量无耦合完全各向同性1T1R并联机构。最后对综合出的一种并联机构进行了运动学分析,验证了构型方法的正确性。     

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。     

6-RRS超冗余驱动飞行模拟器的性能分析

提出一种以6-RRS超冗余驱动球面并联机构作为飞行模拟器的运动机构。该球面并联机构具有三个转动自由度,六个驱动,三个冗余驱动;两个完全相同的3-RRS球面并联机构构成6-RRS球面并联机构,该球面并联机构广义上仍然具有一个定平台,一个动平台,整个动平台即为飞行模式器座舱。该运动机构采用电气伺服系统驱动,从而克服了液压伺服系统的缺点;同时采用超冗余驱动达到大功率运动的目的。主要分析6-RRS超冗余驱动飞行模拟器的三项重要性能指标,利用螺旋理论给出该运动机构的雅可比矩阵,并以雅可比矩阵为核心分析该机构的灵巧度性能以及刚度性能和奇异性能。     

含双驱动支链的2UPS-RPU并联机构雅可比矩阵

基于旋量理论和李群李代数方法,以4自由度2UPS-RPU并联机构为例,提出了含串联输入支链的并联机构正运动学雅可比矩阵的一种新的推导方法。首先利用指数积公式建立含串联输入支链的位置正解,得出动平台位姿矩阵,根据动平台位姿矩阵列出第2和第3支链对动平台的约束方程,通过对方程组两边微分,得出第1支链关节速度与主动关节速度的映射关系,然后代入第1支链正运动学速度关系式,得出并联机构的正运动学雅可比矩阵。最后,基于螺旋理论建立了并联机构逆运动学的完整雅可比矩阵。为机构的奇异性分析提供了理论基础。     

一种新型冗余驱动并联二维指向机构的研究

以球面5R机构为原型,通过添加冗余驱动支链的方法,得到了一种新型高精度、高承载和大工作空间的冗余驱动并联二维指向机构。以消除机构内部奇异、增大机构工作空间为目标,针对具有特定驱动螺旋的冗余驱动支链进行综合;通过对比各分支,筛选出了一种结构简单、精度高、承载能力强的分支,构成了新型冗余驱动并联二维指向机构,并对该机构的位置反解、雅可比矩阵及其奇异性进行了分析;针对机构工作空间、灵巧性和承载力等性能,绘制了机构的性能图谱;基于机构性能的均值指标和方差指标对机构进行了尺寸参数的优化设计,得到了一种性能优异的冗余驱动并联二维指向机构并制作了样机,为跟踪指向领域提供了一种高品质的机构。     

含正则支链的并联机器人雅可比简化分析方法

雅可比矩阵对并联机器人的速度、精度、刚度等性能分析有重要意义。通常雅可比分析需要计算与驱动关节运动螺旋不互易而与支链其他运动螺旋均互易的力螺旋,分析过程复杂,计算量大。为此,针对一类常见的特殊支链结构,提出正则支链的概念,研究了正则支链的结构特征。分析了转动副和移动副的做功驱动力螺旋,提出含正则支链的并联机器人雅可比简化分析方法,克服了现有方法中计算驱动关节产生的支链约束螺旋的复杂过程。这种方法不必计算支链约束螺旋就能获得并联机器人的部分雅可比矩阵,进而结合支链约束螺旋获得并联机器人的整体雅可比矩阵,实现驱动关节与动平台之间运动和力的双向映射。方法不仅适用于常见的6自由度并联机器人,也适用于具有正则支链的少自由度并联机器人。     

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。     

基于互易螺旋理论的无奇异完全各向同性移动并联机构型综合

基于互易螺旋理论提出一种无奇异完全各向同性纯移动并联机构型综合的系统方法。首先给出机构末端操作器输出运动的矩阵表达式,然后根据该表达式正雅可比矩阵为非零对角阵的条件确定出机构支路驱动螺旋的表达形式,并依据驱动螺旋与主动螺旋互易积为非零常数的条件确定出主动螺旋的形式,再根据驱动螺旋与同一分支中除主动螺旋外的所有其他运动螺旋互易积都为零的特点,确定出可动非驱动螺旋的类型及其轴线方向,从而按照机构分支连接度的不同进行机构支路的型综合。最后取3条所综合出的机构支路将动平台与静平台联接起来即可得到所期望的机构。最后对一种新型3-CRP无奇异完全各向同性移动并联机构进行运动学分析。结果表明,所提出的型综合方法正确可行。     

对称五自由度3R2T并联机构的雅可比分析

针对对称五自由度3R2T并联机构提出一种雅可比分析方法。首先简单回顾3R2T并联机构的自由度特性,然后运用螺旋理论建立单个分支运动链的雅可比矩阵,该矩阵为6×5阶长方阵;再利用该类并联机构的自由度特性,说明6×5阶分支雅可比矩阵的第6行是冗余信息,可将其删除,从而把分支雅可比矩阵简化为5×5阶方阵,可以证明该方阵在机构非奇异位形下满秩;在选定并联机构的驱动副后,通过对新的5×5阶分支雅可比方阵进行一系列矩阵运算,可以建立整个五自由度3R2T并联机构的5×5阶雅可比矩阵。     

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。     

3-RRR平面并联机构刚度分析

刚度是并联机构重要性能指标,为了评价并联机构刚度,提出了一种刚度评价方法.基于3-RRR机构的逆运动学模型,推导出其雅可比矩阵.在力雅可比矩阵的基础上,给出了刚度评价指标,该指标不仅适用于3-RRR并联机构,而且可以应用于其它并联机构.将提出的刚度指标应用于3-RRR并联机构,数值仿真结果表明3-RRR机构在工作空间中具有对称的刚性.     

新型3-PCRNS球面3自由度并联机构

提出一种新型3-PCRNS球面3自由度并联机构,其分支运动链由一个带环形导轨的移动副PC,一个转动副RN (下标N表示三个分支中转动副的轴线都交于一点)和一个球铰S构成。运用约束螺旋理论,对该机构的自由度、奇异位形和输入选取进行分析。在一般非奇异位形下,该机构中三个PCRNS分支运动链对动平台施加三个汇交于机构中心点的约束力,约束机构动平台的3移动自由度,机构具有3转动自由度;在奇异位形下,三个PCRNS分支对动平台施加六个线性相关的约束力,其最大线性无关数为五,机构具有一个绕z轴的瞬时转动自由度。可选用带环形导轨的移动副PC作为主动副,此外该机构动平台绕z轴的转动自由度和其他转动自由度解耦。     

Geometric condition of 3UPS-S parallel mechanism in singular configuration

The existing researches on singularity of parallel mechanism are mostly limited to the property and regularity of singularity locus and there is no further research into the geometric relationship between uncontrolled kinematic screw and parallel mechanism in singularity. A 3UPS-S parallel mechanism is presented which fulfils 3-DOF in rotation. The regularity of nutation angle singularity is analyzed based on the Jacobian matrix, and the singularity surface of 3UPS-S parallel mechanisms is obtained. By applying the concept of reciprocal product in screw theory, the singular kinematic screw is derived when 3UPS-S parallel mechanism is in singularity. The geometric relationship between singular kinematic screw and singular configuration of 3UPS-S parallel mechanism is investigated by using programs in MATLAB. It is revealed that there are two kinds of situation. Firstly, the three limbs of 3UPS-S parallel mechanism intersect the singular kinematic screw in space simultaneously; Secondly, two limbs cross the singular kinematic screw while the third limb parallels with that screw. It is concluded that the nutation angle singularity of 3UPS-S parallel mechanism belongs to the singular linear complexes. This paper sheds light into and clarifies the geometric relationship between singular kinematic screw and singular configuration of 3UPS-S parallel mechanism.