基于结构降耦的一类低耦合度新型3T1R并联机构的拓扑设计

四自由度的可实现SCARA型（三平移一转动）输出运动的并联机构,与三自由度的Delta机构相比,因其本身的拓扑结构复杂,导致运动学正解以及动力学计算复杂,从而使其新机型的研究和开发应用相对困难;而降低这些机构的耦合度（简称结构降耦）可直接降低机构运动学、动力学求解的难度。根据笔者提出的机构结构降耦方法,对笔者最近提出的一类5个耦合度值κ为2且具有较好实用价值的SCARA型新型并联机构进行了结构降耦优化,得到了耦合度较低（降为κ=1）但自由度和动平台输出运动类型均保持不变的10个SCARA新机型,而这10个低耦合度（κ=1）机构的运动学正解及动力学正反解,可用一维搜索法方便求得数值解,或从易导出的1个一元高次代数方程求得封闭解,为其进一步构型拓扑优化、设计及应用研究奠定了基础。     

一种新型低耦合度非全对称三平移一转动并联机械手及其运动学分析

根据基于方位特征（POC）方程的并联机构拓扑设计理论和方法,分析了一种可实现三平移一转动输出运动的新型低耦合度的非全对称四自由度并联机械手2-RPaRSS,并完成其运动学建模与分析。首先,分析计算出该机构的耦合度(κ=1),给出了基于序单开链（SOC）的机构位置正解的建模方法及其数值解;其次,通过导出机构位置反解及算例,验证了正反解求解的正确性;再次,分析了该机构位置工作空间的形状大小及工作空间Z向各截面形状;然后,对机构的奇异位形进行了分析,得到其发生三类奇异的条件;最后,设计了该机械手样机的三维CAD模型。研究结果表明,2-RPaRSS机械手比H4、I4R、Cross-Ⅳ结构简单,且具有更大的工作空间和更好的动平台转动能力。     

一种单自由度3T1R并联机构的拓扑设计及其运动学

根据基于方位特征方程的并联机构拓扑设计理论和拓扑降耦设计方法，设计了一种新的少输入-多输出（Fi-Mo）型单自由度三平移一转动（3T1R）输出的并联机构，对其拓扑特性进行了分析，给出了该机构的方位特征集、自由度及耦合度κ；根据基于序单开链的运动学建模原理，给出了该机构的位置正解求解方法及其数值解；同时导出了其位置反解求解公式及机构的速度与加速度公式，并进行了速度与加速度的仿真。最后给出了该机构可用作并联振动筛的3D虚拟样机设计。研究结果为该类单自由度3T1R型并联振动筛机构的尺寸优化设计、样机研制打下了基础。     

一种零耦合度三平移并联机构的设计及运动学

根据基于方位特征方程的并联机构拓扑设计理论和方法,设计出一种零耦合度且运动解耦的非对称三平移输出的并联机构(RPa‖3R)2R+RPa,分析了该并联机构的方位特征、自由度、耦合度κ等主要拓扑特性。由于该机构耦合度κ=0,因此直接导出其解析式位置正解。通过位置反解,分析计算了机构的工作空间及奇异性特性。由Jacobian矩阵导出了机构动平台质心的速度与加速度计算公式,并给出了其仿真曲线。     

运动解耦和低耦合度选择顺应性装配机器手臂并联机构的设计及其运动分析

根据基于方位特征集方程的并联机构拓扑结构设计理论,设计出一种运动解耦、低耦合度(κ=1)且具有较大转角的新型选择顺应性装配机器手臂并联机构(RPa3R)2R-2RSS,并对该机构进行拓扑特性分析。基于序单开链运动学建模原理,给出了该机构位置正解封闭解的代数法,同时导出机构位置反解,验证了位置正解的正确性。基于位置反解,对该机构的工作空间、转动能力和奇异性进行了分析。     

3-RRR平面并联机构的拓扑结构优化及其运动学性能改善

典型3-RRR平面并联机构是一种具有两平移一转动输出的平面定位、传送装置,其应用较广。首先计算出该机构的耦合度k=1;其次,基于结构降耦原理,设计出一种零耦合度(k=0)的平面定位传送降耦机构,从而极易求得其位置正解解析式,且使得动平台的输入-输出具有运动解耦性;进一步,对该降耦机构的工作空间、奇异位形进行了分析。比较表明:降耦机构比原始机构的综合性能更为优越,结构降耦是机构拓扑结构优化的一种有效方法。     

平面3RPR并联机构拓扑结构优化与性能分析

平面3RPR并联机构是一种能实现两平移一转动典型的精密微动机构,根据方位特征（POC）方程分析出机构的耦合度为1,此机构输入输出不具有运动解藕性。基于此,以运动解耦为优化目标,通过结构降耦原理对机构进行拓扑结构优化,设计一种零耦合度（k=0）的平面精密微动机构,利用方位特征（POC）方程验证降藕的可行性,此机构具有位置正解解析式且执行末端运动解耦性优点,同时,分别对拓扑结构优化的平面精密微动机构进行运动学分析,同时分析机构的工作空间、奇异性、转动能力等特性,结果表明：与原平面3RPR并联机构相比,拓扑结构优化后的平面精密微动机构具有较好的综合性能。     

一种新型3T2R并联机构的降耦设计及其位置分析

基于方位特征方程(POC)的并联机构拓扑设计理论及方法,设计出了一种五自由度三平移两转动(3T2R)的并联机构,并对该机构进行了拓扑特征分析,发现其为拓扑强耦合(耦合度k =2),表明该机构的位置正解求解困难、复杂,不利于后续的尺度综合与优化、误差分析及动力学分析;为此,对其进行拓扑降耦设计,即在基本功能(DOF、PO...     

球面并联机构的结构降耦及其位置正解求解

基于一般结构的S+3-SPS球面机构的耦合度分析,通过动平台二球副重合的方法,使之结构降耦演变为0耦合度球面机构,并得到其位置正解的解析解;而对于k=1的一般结构的S+3-SPS,虚设一条支链使机构包含k=0的零耦合度机构,再在约束度为-1的支链上建立一个一元运动相容性方程,并采用一维搜索法求得全部正解数值解。这种基于耦合度分析的求解并联机构位置正解的程式化通用方法,易于实现计算机自动生成,并适用于其它含SPS支链并联机构位置正解的快速求解。     

PS-3SPS结构降耦并联机构运动学分析

对称结构4自由度4SPS-PS并联机构具有1条方位特征(被动约束)支链,耦合度为2,其位置正解和动力学正反解的求解较复杂。运用方位特征支链主动化和运动副合并(将约束距离缩减为0)方法,对原构型进行结构降耦设计,得到一种PS-3SPS一平移三转动降耦并联机构。新型降耦机构的耦合度为0,其突出优点是位置正解具有显式表达式。给出求PS-3SPS降耦并联机构位置正反解的几何方法,得到动平台Euler角的解析解。运用矢量代数法和姿态矩阵微分形式,推导出机构速度Jacobian矩阵,并得到速度和加速度正反解的显式表达式。运用空间几何法,推导出PS-3SPS并联机构所有理论正运动学奇异位形,并给出代表性奇异位形。最后,给出数值算例,位置正反解十分吻合,表明求解方法准确可靠。分别运用MATLAB软件编程和ADAMS软件仿真得到机构运动学分析曲线,两者结果一致,验证了理论分析模型与方法的正确性。     

Type Synthesis of 1T2R Parallel Mechanisms Using Structure Coupling-Reducing Method

Direct kinematics with analytic solutions is critical to the real-time control of parallel mechanisms.Therefore,the type synthesis of a mechanism having explicit form of forward kinematics has become a topic of interest.Based on this purpose,this paper deals with the type synthesis of 1T2R parallel mechanisms by investigating the topological structure coupling-reducing of the 3UPSUP parallel mechanism.With the aid of the theory of mechanism topology,the analysis of the topological characteristics of the 3UPSUP parallel mechanism is presented,which shows that there are highly coupled motions and constraints amongst the limbs of the mechanism.Three methods for structure coupling-reducing of the 3UPSUP parallel mechanism are proposed,resulting in eight new types of 1T2R parallel mechanisms with one or zero coupling degree.One obtained parallel mechanism is taken as an example to demonstrate that a mechanism with zero coupling degree has an explicit form for forward kinematics.The process of type synthesis is in the order of permutation and combination;therefore,there are no omissions.This method is also appli cable to other configurations,and novel topological structures having simple forward kinematics can be obtained from an original mechanism via this method.     

一种新型半对称三平移一转动(3T1R)并联操作手的运动学研究

基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑结构设计理论与方法,提出了一种能实现三平移一转动(3T1R)的2RRPaR+2RSS并联操作手机构.对该机构进行了结构特性分析,计算了其自由度及POC集,并得出其耦合度为2;依据该机构的结构特性及几何约束条件,采用二维搜索法对该机构的位置正解进行了求解,推导出了其位置逆解,并验证...     

一种支链含Pa副的新型2T1R并联机器人的运动学分析与多目标性能优化研究

以并联机构2T1R作为研究对象,基于并联机构拓扑结构设计理论综合出一类支链含Pa平行四边形机构的2T1R并联机构,并优选出两种新型2PRPaR-PPaR与2RRPaR-PPaR并联机构,以2PRPaR-PPaR并联机构为例,利用方位特征集拓扑结构理论计算机构的方位特征集、自由度、耦合度等拓扑特性,根据建立的特征方程并得到机构的运动学逆解解析式。基于此,分别对机构的工作空间、灵巧度、转动能力等性能指标可视化分析,并通过图形化对比分析机构参数对这些性能指标的影响,最后建立工作空间和全局灵巧度多目标优化模型,选择快速非支配多目标优化算法（NSGA-Ⅱ）实现机构尺度综合,结果表明：2PRPaR-PPaR机构具有工作空间较大、灵巧度较好、转动能力高等优良特性,优化出一组不同姿态角下的对工作空间和全局灵巧度的多目标pareto优化解。     

一种新型3自由度并联机构的奇异性分析

研究一种新型空间3自由度并联机构(HANA)的奇异性。该机构由定平台、动平台和三个联接支链组成，其动平台相对于定平台具有2个移动和1个转动自由度。其结构主要特点是只采用了单自由度的运动副。构型优势主要是转动自由度灵活度高。详细分析了该机构的三类奇异形位，为以后关于该机构的工作空间和转动能力分析以及控制提供基础，特别是基于合理设计的工作空间内无奇异特性将保证该机构拥有很高的转动能力。该机构不仅可以应用在并联机床的设计中，还可以广泛地应用在工业机器人、飞行模拟器和微型机器人等领域。     

基于2TIR机构串并联机器人位置分析及仿真

根据串联机构和并联机构的特点,设计了一种串并联机器人新机型。通过对该机器人机构运动特征分析,求出了其位置正反解析解,并将用PRO/E建立的虚拟样机导入到ADAMS软件中进行了位置的动态仿真,验证了理论分析的正确性。该机器人动平台具有三个平移和一个转动自由度,与具有同样运动特性的并联机构相比,该机器人机构的工作空间大,转动自由度运转灵活。同时,该机器人机构的运动学正反解求解容易,便于实现实时控制。该机器人机构可应用于工业机器人、中医推拿机器人等领域。     

A new planar 3-DOF parallel mechanism with continuous 360-degree rotational capability

This paper presents a novel three degrees of freedom (3-DOF) planar parallel mechanism with a 360-degree rotational capability, which can be used as a positioning device. A high rotational capability is necessary to reduce process time and to apply the mechanism to various fields such as micro-machining and printed circuit board (PCB) depaneling. The proposed mechanism has the advantage of a continuous rotational capability over existing planar parallel mechanisms with limited rotation. The position and velocity kinematics are derived, and the singularities are analyzed based on the Jacobian matrices. The workspace can be determined not to have a singularity inside, and the kinematic variables for enlarging the singularity-free workspace are determined. The application example on the PCB depaneling process is proposed for future work.     

一种改进型三平移并联机构的运动学研究

根据Delta机构的结构,设计提出了一种改进型三平移并联机构。进行了机构的自由度、运动学和工作空间研究,建立了有关运动学模型。理论研究表明:该机构具有几何形状规则的作业空间,是一种较为理想的实现三维移动的并联机构机型。这为正确选择该机构的结构设计和运动学参数、实现机构的控制及工业应用奠定了基础。     

球面射电望远镜主动反射面支撑机构运动学分析

针对主动反射面支撑机构的要求,提出一种能够实现一个方向移动和两个方向转动的空间3自由度并联机构。研究了机构的运动学建模方法,构造出运动学的逆解方程和速度传递方程,给出了运动学正解的数值求取方法。系统分析了机构三类奇异位形,以及机构的位置空间和姿态空间。分析结果表明该机构适用于射电望远镜主动反射面支撑机构。研究也为此类机构的尺度设计,路径规划和控制提供了理论依据。