3-（2SPS）并联机构力传递分析

提出了一种新型三自由度并联机构,通过矢量力学方法和虚功原理建立了机构的静力输入输出数学模型,得到机构的输入力与输出力之间的关系。定义了力、力矩传递性能评价指标及全域性能评价指标,分析了机构参数与评价指标之间的关系。     

3PUS-S(P)变胞并联机构力传递性能研究

通过建立力螺旋在关节空间与操作空间之间的映射关系,对3PUS-S(P)变胞并联机构进行静力学分析。3PUS-S(P)变胞并联机构由动平台、静平台、3条PUS无约束支链以及1条S(P)变胞恰约束支链组成。机构具有2个构态,构态1时动平台具有3个空间转动自由度;构态2时新增一个垂直于动平台的移动自由度。首先,基于螺旋理论构造机构在不同构态下的6阶完整雅可比矩阵;其次,基于虚功原理得到少自由度变胞并联机构输入与输出之间完整的力映射模型,建立力传递性能评价指标;最后,对力传递性能评价指标与机构几何参数之间的映射关系进行了研究,为机构进一步的应用奠定基础。     

五自由度并联机械腿静力学性能评价与优化设计

为了对一种六足机器人的五自由度并联机械腿进行静力学性能评价和优化设计,提出了一种同时考虑约束力映射关系和驱动力映射关系的腿部机构静力学分析方法,并基于此方法对机械腿进行了优化设计.首先,通过分析腿部机构的驱动、约束映射关系,分别建立了腿部机构的驱动雅可比矩阵和约束雅可比矩阵;应用虚功原理建立了腿部机构的驱动静力传递平衡方程,在定义驱动静力学评价指标的基础上绘制了评价指标分布图,得出了结构参数与驱动静力评价指标之间的关系曲线.然后,采用同样的方法建立了腿部机构的约束静力传递平衡方程,定义了约束静力学性能评价指标,得出了结构参数与约束静力评价指标之间的关系曲线.最后,基于驱动、约束静力学性能评价指标,采用蒙特卡罗法对结构参数进行了优化设计.计算表明,固定平台结构参数a为200mm、运动平台结构参数b为80 mm,UPU支链长度l1min,l3max分别为500mm、900mm时,腿部机构的静力学综合性能最好.     

3-PRC并联机器人机构运动和力传递性能分析

以3平移自由度3-PRC并联机器人机构为研究对象,建立了机构的运动方程;基于速度与力可操作椭球,建立运动与力各向同性评价指标,度量机构在操作空间给定位置处运动与力的传递性能;以速度和力方向可操作度为评价指标,度量机构在操作空间沿指定方向运动与力的传递能力.结果表明,3-PRC并联机器人机构在操作空间具有良好的运动与力的传递性能.     

下肢康复机器人的静力学分析及结构参数设计

下肢康复机器人是具有自动化功能的康复治疗设备,患者在科学合理的康复训练条件下,可使其下肢的运动功能得到良好的恢复。为了增大下肢康复机器人的康复训练工作空间和承载能力,对康复机器人的静力学分析尤为重要。提出了一种以3-UPS并联机构作为机构原型的下肢康复机器人,基于虚功原理,建立了下肢康复机器人驱动力和输出力的静力学方程,定义了静力学性能评价指标并绘制了评价指标分布图,分析了结构参数与静力评价指标之间的关系,确定结构参数对静力学性能的影响情况,并基于结构参数设计了下肢康复机器人。分析结果为下肢康复机器人的进一步分析研究奠定了基础。     

新型拟人机械腿的参数优化

提出一种新型拟人机械腿机构及其概率参数设计方法,研究了该机械腿的运动学性能。推导出该机械腿的位置反解、运动传递平衡方程和静力平衡方程,定义了运动传递性能评价指标、力传递性能评价指标及各全域性能评价指标,应用空间模型技术研究了各全域性能评价指标的分布规律,给出了各性能评价指标与各结构参数之间的影响规律;应用基于性能图谱的概率参数设计方法,为这种机械臂选取了合理的结构参数,同时,考虑加工与装配工艺性,设计了一种拟人机械腿,为拟人机械腿的轨迹规划、研制及控制奠定基础。这种机械腿具有结构简单、承载能力强、运动惯性小和加工工艺性好等优点。     

一种3-DOF并联机械手的研制

提出了一种采用(U+UPS)P+UPS弱耦合并联机构的3-DOF机械手。首先,推导出机构的位置反解,建立机构的速度映射模型,并建立了机构的驱动、约束静力学传递方程。然后,对机构的工作空间进行分析,绘制出工作空间三维分布图以及雅可比矩阵条件数在工作空间内的三维分布图。通过定义运动灵活性评价指标对机构进行运动灵活性分析,绘制出结构参数与运动灵活性评价指标之间的关系曲线;通过定义静力承载性能评价指标对机构进行静力学分析,绘制出结构参数与机构静力承载性能评价指标之间的关系曲线。采用蒙特卡罗法进行结构参数设计,选取了一组综合性能较好的结构参数：机械手的固定平台万向副分布直角边长为240mm,运动平台球面副与参考点间距为80mm,中间连接杆球面副与主UP支链轴线间距为90mm,主UP支链与中间连接杆的固接点到万向副间距为600mm。最后,研制出机械手的实验样机,对机械手实验样机进行了力学标定,验证了机械手样机结构的合理性。     

3-RRR平面并联机器人位姿的方向可操作性

基于速度雅克比矩阵,定义3-RRR平面并联机器人机构速度和力的方向可操作度,以此作为评价指标,度量机器人在给定位形条件下速度和力的传递性能.结果表明,3-RRR平面并联机器人机构在操作空间内同一位置,有8种位形满足要求,且不同位形的传速和传力性能不同.对任一确定位形,传速性能强(弱)的方向上表现出传力性能弱(强).     

拟人腕关节机构的动载协调分配优化

针对拟人腕关节机构,提出了一种动载协调分配优化方法。基于拉格朗日方法和虚功原理建立动力学模型,推导了机构的动力学性能评价指标和力映射性能评价指标;采用加权求和法定义了综合性能评价指标,并通过Dijkstra算法得到了性能最优的运动轨迹;考虑时间、能耗、平稳性,采用遗传算法求解得到最优的广义时间;数值算例验证了该优化方法的可行性。     

一种并/混联汽车电泳涂装输送机构运动/力传递效率性能分析

针对一种新型汽车电泳涂装输送机构,提出一种表征并/混联式输送机构输入输出端之间的运动/力传递效率的分析评价方法。首先采用旋量形式导出输送机构的运动学和动力学,再根据旋量的Klein型即李代数e(3)的双线性形式,建立了以输送机构末端执行器的瞬时运动功率与输入端瞬时运动功率的比值作为表征机构输入输出的运动/力瞬时传递效率的瞬态分析评价指标。基于所提出的分析评价方法,得出机构在三种典型期望运动轨迹下从输入端到输出端的运动/力瞬时传递效率随时间变化的曲线,并求得其运动/力平均传递效率。最后利用MATLAB软件对机构进行实例仿真,仿真结果表明了评价指标的合理性和有效性。     

3-RUU微动并联机构的尺寸型模型及性能图谱

基于伪刚体模型及运动学参数的量纲一化,建立了3-RUU微动并联机构的尺寸型模型,该模型在有限区间内给出了3-RUU微动并联机构所有可能的尺寸参数组合,模型空间内的任意一点代表具有相同或相似运动性能的同一族机构。结合对微操作运动性质的分析,提出了作业空间体积值、作业空间形状值及常值雅克比矩阵条件数等三种描述微动机构运动学性能的评价指标,并根据尺寸型模型及定义的性能指标绘制了反映机构性能与尺寸参数关系的性能图谱。     

基于含有冗余支链3-RPS/3-SPS并联机构的波浪能转换装置优化设计

提出了一种含有冗余支链的3-RPS/3-SPS并联机构,基于该机构设计了一种新型的海浪发电装置。对波浪中发电装置的浮子进行运动学建模,得到耦合运动方程并采用切片理论方法确定了方程中的水动力系数。通过分析浮子能量采集效率与浮子尺寸的关系,确定浮子直径为6 m时波浪能采集效率较高。建立了3-RPS/3-SPS机构支链与末端的速度映射关系,通过对液压缸的受力分析,推导出液压缸等效黏性阻尼系数,进而建立了修正的浮子运动方程,该方法同样适用于其他采用并联机构的海浪发电装置。定义了波能装置的有效工作空间评价指标、全域运动学性能评价指标及输出功率指标,绘制了各项指标在结构参数上的分布情况,基于性能评价指标对波能装置进行多目标结构参数优选,确定了一组综合性能较优的几何参数。优选结果表明：波能装置中机构几何参数R=5 m,r=2 m时,工作空间体积、运动学性能及输出功率等性能均有不同程度提升。该研究为海浪发电装置的设计和应用提供了理论基础。     

LR-Mate机器人动力学性能分析

给出评价5自由度串联机器人机构同时基于Jacobian和Hessian矩阵的加速度性能指标,进而得到5自由度串联机器人机构全域性能指标及全域运动性能波动指标。利用上述指标对LR-Mate机器人的加速度性能进行分析,绘制相关图谱。通过对试验结果进行理论分析,发现针对机构尺寸对机构性能的影响进行分析时,Hessian矩阵对机构加速度性能指标有着更重要的影响。最后,利用Matlab软件对LR-Mate机构进行动力学实体仿真,并给出速度、加速度仿真图谱,所得结果与理论分析结果完全一致,验证了理论分析的正确性和指标的可行性。     

两自由度并联机构性能指标分析

对两自由度2SPU+U并联机构进行了速度全域性能指标分析,绘出了上述性能指标图谱。针对速度全域性能指标的不足提出线速度全域性能波动指标和角速度全域性能波动指标公式,该指标可更好的反映机构线速度和角速度在整个工作空间内的运动性能波动情况。通过单变量分析法分析了关键部件尺寸变化对机构性能波动指标的影响,得到尺寸变化对机构性能的影响趋势,为机构尺寸选取以及优化设计提供理论依据,该研究对机器人重要结构尺寸的选取以及控制方案的设计有着重要意义。     

Stewart结构六维力传感器各向同性的解析分析与优化设计

各向同性是反映六维力传感器结构性能优劣的重要指标,各向同性性能分析是Stewart结构六维力传感器结构设计中的关键性问题。为了获得最优的各向同性性能,应用螺旋理论建立Stewart结构六维力传感器的静态数学模型,系统研究传感器的各向同性性能指标。利用数学解析的方法,对传感器的正向和逆向各向同性进行分析,推导出同时满足正向力和力矩各向同性时结构参数之间的关系表达式,证明了该类传感器不能同时满足逆向力和力矩各向同性,并得到了各向同性度性能指标之间存在的制约关系。权衡各向同性的四个性能指标,通过求解综合性能目标函数的极值,得到了综合性能指标的最优值,并推导出综合性能指标最优时结构参数之间所满足的关系表达式。研究内容为Stewart结构六维力传感器的结构性能优劣评价及结构优化设计奠定了基础。     

基于AHP和BP神经网络的锭子性能综合评价

目前我国部颁纺纱锭子测试标准,只有单一速度,单一振幅,单一功耗三个指标。为了科学反映锭子的工作性能与状况,研制了纺纱锭子性能综合测试平台,对锭子性能进行综合评价。确定纺纱锭子性能常用要素:振幅、温度、噪音、功耗作为评价指标,提出一种基于AHP和BP神经网络的锭子性能综合评价方法。运用层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)确定各项指标的权重,建立锭子性能综合评价的BP神经网络(Back Propagation Neural Network)模型,进行训练和测试。分析结果表明了基于AHP和BP神经网络的锭子性能综合评价的有效性与正确性。     

串联机器人加速度性能指标分析

以串联机构速度、加速度公式为出发点,通过理论推导提出一种同时基于机构一阶Jacobian影响系数矩阵和二阶Hessian影响矩阵的串联机构加速度性能度量指标,包括加速度性能指标、线加速度性能指标和角加速度性能指标。采用GOSSELIN提出的机构全域性能指标定义方法定义串联机构加速度全域性能指标、线加速度全域性能指标以及角加速度全域性能指标。最后,采用上述指标对串联工业机器人PUMA260机构进行实例分析,给出相应的性能图谱。结果表明,Hessian矩阵对机构加速度性能指标有着更重要的影响,度量指标在机构动力学性能分析中是可行的。