3自由度球面并联机构3-RRR静力全解

采用传统的拆杆法建立机构的静力学平衡方程,考虑构件弹性,利用小变形叠加原理建立机构的变形协调补充方程,进而完成3自由度球面并联机构的静力学分析.求得包括机构输入与输出载荷关系的每个构件上的全部力、力矩.通过计算,得到在三种外载荷下构件上的全部(各)力、输入转矩与机构运动位姿的关系图.结果表明,当作用在机构的外力(仅)F通过球心时,机构的输入力矩恒等于零,而构件上的力在全空间内随着机构位姿的变化比较平缓,机构等价一般结构架体而与机构的特性无关.仅在外力矩M作用下,机构的输入力矩、构件上的作用力随着机构位姿的变化与机构的特性相关(与雅可比矩阵的奇异性一致),力与力矩在构件上所产生的两部分力是独立的,并可以分离.研究为该机构在工程中的结构设计与应用提供静力学理论基础和依据.     

球面3自由度并联机构的正解分析新方法

机构的正解在并联机器人研究域是一个具有挑战性的问题,长期以来人们在这方面做了很多的研究。球面3自由度并联机构是一种有重要应用的机构,如同一般并联机构,其反解容易而正解困难。利用两点间距离在不同坐标系下不变的原理作为约束条件建立约束方程,对球面3自由度并联机构进行位置正解分析,得出了正解的封闭解形式,因为引入了一次半角公式,所以其最终方程是最高次数为16的一元多项式。运用反解的方式对其进行了数值验证,证明该正解分析是正确的。     

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.     

新型球面并联机构运动学分析及尺度综合

针对球面并联机构应用于机器人仿生领域时出现的耦合度高、控制不便、灵活性不足等问题,提出了一种具有半解耦特性的新型3分支球面并联机构。基于螺旋理论对机构进行了自由度分析,通过矢量法求解了机构运动学正反解并分析了机构的解耦特性。该机构具有绕X轴、Y轴、Z轴转动的3个自由度,其中,绕Z轴的转动仅由1个分支控制,其余两分支共同控制机构做绕X轴、Y轴的运动。基于微分变换法得到雅可比矩阵并讨论了奇异位形。以奇异位形和杆件干涉为约束条件,采用边界搜索法确定了机构的工作空间。基于机构的解耦特性提出了一种具有解耦系数的全域均值灵巧度,以工作空间和全域均值灵巧度为优化目标,采用粒子群优化算法（PSO）对机构结构参数进行了尺度综合。机构优化后,工作空间增大且在该空间内运动性能良好。研究为球面并联机构的样机设计和其他半解耦机构的尺度综合提供了理论依据。     

完全各向同性3自由度平面并联机构的型综合

提出了完全各向同性3自由度平面并联机构型综合的系统方法.首先,根据螺旋理论讨论了完全各向同性平面并联机构的运动学必要条件.然后,基于机构各分支对动平台控制功能的不同,通过互易螺旋理论推导出各分支的驱动螺旋、主动螺旋和可动非主动螺旋,并按照分支连接度的不同列举出所有可行的分支运动链.最后,按照机构各分支相应的装配条件,选取所综合出的3条分支运动链将动平台和静平台连接起来得到预期的机构,共得到新型机构3 167种.由于综合出的并联机器人机构的运动雅可比矩阵均为单位阵,即条件数恒为1,因此这类机构具有良好的运动学和力传递性能,在工业机器人、微操作机器人和医用机器人等领域具有潜在的应用前景.     

二自由度球面并联机构UP+R静力学分析

采用拆杆法建立了机构的静力学平衡方程,考虑构件弹性,利用小变形叠加原理建立了机构的变形协调补充方程,进而完成了二自由度球面并联机构UP+R的静力学分析。通过计算,得到在三种载荷下构件上各力、输入转矩与机构位姿的关系图。结果表明,仅在外力作用下,机构的输入力矩恒等于零,构件上的力随机构位姿的变化比较平缓,仅在外力矩作用下,机构的输入力矩、构件上的力随着机构位姿的变化与机构的特性相关。力与力矩在构件上所产生的两部分力是独立的,并可以分离。研究结果为该机构在工程中的结构设计与应用提供了静力学理论基础和依据。     

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。     

多种方法分析二自由度球面并联机构位置正反解

分析了球面并联机构的结构特点和应用方向,以二自由度球面并联机构为例,建立其三维模型以及运动学模型,利用螺旋理论给出自由度分析方法,并分别用欧拉角公式、螺旋理论、矢量分析法等多种理论分析二自由度球面并联机构正反解模型,为后续的动力学分析及控制系统开发提供理论基础。     

基于性能图谱的2自由度RR&PRR解耦球面并联机构承载能力研究

2自由度解耦球面并联机构动平台通过两条支链与静平台连接,第1条支链由两个转动副(R)组成,第2条支链由1个移动副(P)、2个转动副(R)组成。在机构设计无量纲法建立2自由度解耦球面并联机构空间模型的基础上,对该机构的承载能力性能指标进行系统的分析,提出了应用性能指标均值及其波动情况描述机构承载能力性能的新方法,以等值线的形式绘制了该机构的承载能力性能图谱。     

含球面四杆闭链的球面并联机构拓扑型综合

基于球面四杆回路提出了含球面四杆闭链的球面并联机构拓扑型综合方法。将球面四杆回路与球面单开链(SOC)作为机构组成的基本单元,通过球面四杆回路与其它球面单开链的组合综合得到球面并联机构。给出了含球面四杆回路的基本单元形式和完整的综合流程,得到了相关拓扑综合结果。     

ON DESIGN OF 3-DOF SPHERICAL PARALLEL MANIPULATORS WITH PRISMATIC ACTUATORS

0　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＲｏｂｏｔｉｃｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｐｔｉｍｕｍｄｅｓｉｇｎｃａｎｂｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｕｓｅｏｆｅｖａｌｕａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｉｎｖｏｌｖｉｎｇｗｏｒｋｓｐａｃｅｇｅｏｍｅｔｒｙ[1,2 ] ,ｉｓｏｔｒｏｐｙ ,ｇｌｏｂａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｉｎｄｅｘ[3～ 6 ] ,ａｎｄｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ .Ｂｙｔｈｉｓｍｅａｎｓ,ｄｅｓｉｇｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｔｏｓｅｌｅｃｔ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉ…     

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。     

基于拓扑解耦准则的球面并联机构解耦条件研究

具有输入输出解耦特性的并联机构,由于其易于控制,深受欢迎。基于提出的并联机构拓扑解耦准则,针对一种球面解耦并联机构进行了解耦性分析,给出了该机构更一般的解耦条件;更进一步,基于拓扑解耦准则构造了一种更一般的新型球面解耦并联机构。基于拓扑解耦准则进行并联机构解耦特性分析和型综合的方法,对具有拓扑解耦特性并联机构的创新设计和应用具有深远意义。     

INVERSE KINEMATIC AND DYNAMIC ANALYSIS OF A 3—DOF PARALLEL MECHANISM

According to the structure character of the passive sub-chain of the 3TPS-TP parallel mechanism, the kinematic constraint equations of the movable platform are established, based on which the closed-form inverse kinematics formula of the parallel mechanism are presented. Through parting the spherical joints of the active sub-chains and using the force and moment equilibrium of both the active sub-chains and passive sub-chain, the constraint forces acting on the parted joints are determined. Subsequently, the analytic expressions of the actuator driving forces are derived by means of the force equilibrium of the upper links of active sub-chains.     

具有大位置空间的3自由度并联机构运动性能分析

提出一种具有较大位置空间的3自由度并联机构,该机构为Tricept机构的变异型,结构特点是将Tricept机构中的被动支链与三条主动支链之一相集成,且主动关节的三条轴线彼此垂直并汇交于一点。对机构的位置空间、运动灵活度及刚度特性进行分析,给出表征尺度参数改变与机构运动性能变化关系的图形描述。分析表明,对于不同的尺度参数组合以及较小的胡克铰、球铰的极限转角,机构动平台均可获得较大的位置空间;位置空间的中部区间占整个位置空间体积值较大,且在该区间内动平台具有较好的运动灵活度及刚度特性。给出的图形描述较全面地表征尺度参数与机构运动性能之间的关系,可用于机构性能的进一步分析与运动学设计。     

2自由度高速高精度并联机器人的运动学优化设计

提出一种基于工作空间综合和灵巧度、速度和几何精度等性能指标分析的2自由度并联机器人运动学优化设计方法,构造一种由灵巧度、运动速度和运动分辨率等变量组合而成的工作空间全局评价指标。优化过程分为两步进行：首先以灵巧度、力传递特性和避免奇异位形的几何条件为约束,综合出具有良好特性的工作空间,在此基础上研究不同杆长比下实现目标工作空间所需的尺度参数;然后根据全局运动学性能评价指标从第一步的优化结果中遴选出最合适的杆长比,从而实现了对机构的几何尺度参数优化。并给出了算例以说明方法的有效性。     

6自由度3-UrRS并联机构的位置正解分析

机构的位置分析是求解机构的输入与输出构件直接的位置关系,是机构运动分析最基本的任务,也是机构速度、加速度、受力分析、误差分析、工作空间分析、动力分析和机构综合等的基础。在实际应用中,解正解问题意味着决定机器人末端执行器当前实际的位姿。基于此,提出一种新型3支链6自由度并联机构3-UrRS,采用球面2自由度五杆机构作为复合驱动装置。以机构上平台3个顶点之间的长度为约束条件,建立约束方程,研究该并联机构的正解的封闭解形式,得到一个16次方的一元多项式方程。以3-UrRS自身的机构特点建立约束方程,得出反解的封闭解形式。最后对该正反解的研究结果进行数值验证,正解的计算结果与反解的计算结果十分吻合,仅有微小误差,这是由计算的累积误差引起的。     

平面三自由度并联机构动力学性能研究

采用凯恩方法建立平面三自由度并联机构的动力学方程。为了量化机构的动力学性能,基于操作空间的惯性矩阵,给出机构加速性能评价指标,机构高速运行时,转动关节会引起较大的离心力和哥氏力,又给出高速性能指标。进而研究两种指标在工作空间的分布情况,得到它们在工作空间的等高线图,分析关节驱动力矩沿等高线的变化规律。结果表明,两种性能指标在工作空间的分布具有相似性,在拟定机构工作空间时可以兼顾加速性能和高速性能,并使得机构的工作空间和动力学性能达到均衡,为应用于高加速度和高速作业的机器人机构的工作空间确定和动力学优化设计提供参考。     

OPTIMAL SYNTHESIS OF PLANAR 4 LIMBS 3-DOF OVERACTUATED PARALLEL MECHANISMS

Optimal synthesis of a 3-DOF 4 limbs planar parallel mechanism with actuated redundancy is studied. The kinematics equation of the mechanism is developed and the topology of the mecha-nism is classified. The kinematics and force properties of the mechanisms according to the topologies are compared. Furthermore, a global optimizing formulation is derived from the condition number that is a local index usually used to scaling the manipulability isotropy quantitatively. The optimiza-tion is solved by genetic algorithm. The numerical results show that the topology of the mechanisms can influence the kinematics and force property considerably, and the manipulation dexterity of the mechanisms can be improved distinctly by the given formulations and the suggested optimization algorithm.     

新型3自由度可约移动并联机构的构型及设计

提出了一般可约系统的定义。从研究运动不耦合的3自由度移动并联机构的输入输出关系出发,给出了3自由度可约移动并联机构的定义和判定充要条件。定义了一种新的Gf坐标,利用此坐标给出了可约并联机构的型综合一般过程,并综合出了5种3自由度可约移动并联机构。针对这类机构的特殊性能,以其中一种机构为例,基于机构动平台参考点的工作空间进行了优化设计。