3SPS+1PS四自由度并联仿生平台运动学分析

针对3SPS+1PS对称型并联仿生平台,利用螺旋理论对其进行自由度分析得出该机构具有三转一平4个自由度,当平动自由度固定时可用于模拟人体髋关节的三维运动。基于四元数法建立了机构位姿运动方程。以四元数描述机构运动特性,避免了欧拉角描述刚体位姿存在的奇异问题。将髋关节运动曲线作为机构输出运动,基于逆运动学模型仿真出各驱动支链位移变化曲线为平滑曲线,说明该机构在模拟髋关节运动时其驱动支链易于控制。     

髋关节试验机四自由度并联模块运动学与动力学特性分析

由于人工髋关节材料摩擦磨损特性检测结果的准确程度与试验设备运动准确性有关,选用3SPS+ 1PS并联机构作为试验机髋关节仿生模块的核心部分.通过Pro/E与ADAMS联合对此类并联机构进行建模,然后根据正常人体髋关节的生物运动及力学特性,在ADAMS中对其进行运动学、动力学仿真模拟.通过仿真结果得知:各支链的主要运动集...     

基于Grassmann线几何理论的并联髋关节试验机奇异位形研究

并联髋关节试验机的核心运动模块采用3SPS+1PS空间并联机构,由定、动平台及连接两平台的3根SPS支链和1根PS支链构成,具有3转动自由度和1平动自由度。并联机构的奇异特性对其工作性能有着重要影响,因而须对该髋关节试验机的相关性质进行研究。建立基于Rodrigues参数的机构静力学模型,得到静力学转换矩阵的一般表达式,并推导出与6条用于Grassmann线几何分析的直线相对应的Plücker矢量。通过分析各线簇秩的空间分布特点,得到许多新颖的奇异位形,并推导出机构处于奇异位形时的各种约束方程。通过数值仿真,得到线簇秩从1到5的各奇异位形对应的奇异轨迹。髋关节试验机奇异位形的研究对其工作空间分析、机构尺寸优化和控制系统设计具有重要的意义。     

3SPS+1PS并联仿生试验机误差建模与仿真

3SPS+1PS并联髋关节仿生试验机能否模拟人工髋关节的理想试验状态是正确评价关节材料特性的关键,因此,对此并联试验机整机误差建模及仿真成为必须。首先运用四元数法对其动平台位姿进行描述,建立了基于矩阵全微分理论的整机误差分析模型。通过计算机仿真,讨论了机构参数对位姿精度的影响,同时计算了单一结构或驱动参数误差变化时,输出位姿的变化趋势。由仿真结果知,输出误差中X轴误差和参数q误差较大,Z轴误差与参数n误差几乎为零。最后,对设计过程中机构参数的合理选取提出建议,为实际误差的补偿与控制提供了一定的理论基础。     

3SPS1PS并联式髋关节仿生试验机动态仿真

为准确模拟人体髋关节受力情况,选用3SPS1PS少自由度并联机构作为髋关节仿生试验机的核心部分.应用UG软件实现并联式髋关节仿生试验机的虚拟设计和虚拟装配,然后根据正常人体髋关节运动学及动力学特性,在ADAMS软件中进行运动学和动力学仿真.通过仿真曲线可准确获得试验机位移、作用力等信息,为试验机的成功设计提供参考数据.该方法不需要大量的数学计算,快捷、方便、准确.     

考虑关节摩擦的3SPS+1PS并联机构显式动力学建模研究

显式动力学模型是并联机构控制器设计的基础,由于并联机构的闭环结构特点,导致其显式动力学建模过程通常比较复杂。为了避免动力学建模过程中繁琐的求导过程,考虑关节摩擦并基于牛顿-欧拉法对3SPS+1PS并联机构的显示动力学模型进行了研究。在并联机构运动学及受力分析的基础上,建立其具有一般形式的动力学模型,选取动平台上球铰链所在位置点的运动学参数作为中间变量,并将其表示为各运动参数的函数,通过参数替换,最终得到包含人工髋关节、推力球轴承、球铰链及电动缸等处摩擦且具有显式形式的动力学模型。将所建立并联机构动力学模型的数值仿真结果与实测结果进行对比分析,验证了所建立模型的有效性。得到的动力学模型可用于并联机构的动力学控制器设计及摩擦补偿控制研究,所使用的方法同样适用于其他构型并联机构的显式动力学建模。     

髋关节试验机中3SPS+1PS并联机构有限元分析

以髋关节试验机中3SPS+1PS并联机构为研究对象,通过UG建立了并联机构的实体模型,并利用ANSYS进行了静力和模态分析.通过对3SPS+1PS并联机构在某一工作位置时两种不同受力情况的分析,得到机构整体的应力应变分布情况,验证了机构的静刚度满足设计要求.通过模态分析,得到3SPS+1PS并联机构的固有频率和振型,分析了固有频率和振型对机构动态特性的影响.     

3-RRR球面并联机构优化设计研究

为了进一步提高3-RRR纯转动球面并联机构的运动灵巧性和有效工作空间的范围,需对机构的结构参数进行优化。首先根据机构的几何特性建立对应的数学模型;进而本着机构工作空间和运动灵巧性最大的原则,提出一种以机构雅可比矩阵条件数为优化对象的遗传算法,对机构中各运动副的角度、电机输入角度及其他结构参数进行优化,与传统结构参数优化方法相比,有效的将3-RRR球面并联机构的雅克比矩阵条件数控制在1.000008,使该机构的运动灵活性获得较大提高;最后根据优化结果搭建物理样机,其末端输出平台的工作空间图像近乎一个完整的球面。优化后的3-RRR并联机构显示出更强的工程实用性,具有更好的应用前景。     

球面并联式人形机器人髋关节机构运动学与仿生设计

从结构和功能仿生角度出发,提出球面并联式人形机器人髋关节机构,并针对其开展运动学分析与仿生设计。根据人体髋关节结构和运动特性,选取3-SPS/S(S为球面副,P为移动副)球面并联机构作为髋关节仿生原始构型;依据螺旋理论对髋关节原型机构自由度数目、性质及位置反解进行分析;采用遗传算法,以姿态工作空间最大化为目标对并联髋关节机构进行优化;结合人体髋关节实际结构特点,提出偏置输出方式,从而使得机构实际输出空间的形状和位置更加符合人体髋关节运动轨迹需求。研究内容为人形机器人髋关节仿生的理论研究和进一步的样机研制奠定了基础。     

3SPS+1PS仿生并联机构位姿正解和奇异性分析

为克服传统串联式的髋关节试验机在高速度、大承载、复杂运动模拟方面的不足,试制了一台以3SPS+1PS并联机构为核心运动模块的并联式髋关节试验机,而复杂的位姿正解和奇异性是其应用的难点之一。以动平台铰点坐标建立了易于消元的位姿正解解析模型,获得了只含单一变量的高次输入输出方程,证明其最多有8组正解。根据Jacobian矩阵分析了试验机在设计工况下的奇异状态,结合位姿正解证明出现的2个奇异点全为由构型重合造成的正向奇异,并给出了相应的奇异规避策略。     

DESIGN FEATURES OF A PARALLEL TESTING PLATFORM FOR SIMULATING KINEMATIC CHARACTERISTICS OF HIP JOINT

To simulate the movement of a human during daily activities, such as walking, running, squatting, and kneeling, a novel parallel hip joint simulator whose key movement component is a 3SPS + 1PS parallel manipulator with four degrees of freedom (DOF) was proposed. SPS denotes the spherical-prismatic-spherical leg, and PS denotes the prismatic-spherical leg where only the prismatic joint is actuated and hence underlined. Firstly, the formulae for solving the inverse kinematics of the 3SPS + 1PS parallel manipulator were derived based on the unit quaternion method. Then, the parallel hip joint simulator was designed and finally developed by means of constructing the mechanical module, control module, hydraulic loading module, and data transmission module. In addition, three linear actuators are driven by the scheduled inverse displacement trajectories to enable the moving platform to output rotations about the Z-, Y-, and X-axes for representing flexion/extension, abduction/adduction, and external/internal rotations of the human hip joint. Simultaneously, the hydraulic loading module represents the dynamic loading as described by ISO 14242 Part-1 acting on the hip joint during the kinematic experiment. The kinematic experiment and dynamic loading experiment show that the fitting curves of the experimental results are consistent with the designed movement and loading trajectories. All these illustrate that the developed 3SPS + 1PS parallel hip joint simulator with effective design of all modules can substantially represent the designed movement and loading trajectories. The developed hip joint simulator can provide more reliable tribology test data for artificial prosthesis of hip joint.     

Kinematic calibration analysis of 3SPS + 1PS bionic parallel test platform for hip joint simulator

As the key component of the parallel hip joint simulator, 3SPS + 1PS bionic parallel test platform owns four degrees of freedom including three rotations and one translation. When the moving platform stays at a given translation position, the parallel manipulator can represent three-dimensional rotating gait motions of the hip joint for the purpose of evaluating the friction characteristics of biological materials. Because of the manufacturing and assembling errors, the actual structure parameters of the parallel manipulator are not more accurate than the theoretical values and its reduced simulation accuracy will bring the uncertain evaluation. So in order to improve the precisions in the design, manufacture and assembly of the parallel manipulator, it is necessary to calibrate the kinematic parameters. Considering the structural characteristics of the parallel manipulator, its error model and the corresponding compensation method are established based on the complete differential-coefficient theory. According to the constant values of two orientation angles, the orientation residual matrix is constructed by adopting the incomplete measurement method and the forward kinematics functions, so its cost function can be defined. The iterative algorithm based on the least square method is applied to identify the structure parameters and obtain their optimal solutions, and then the actual kinematic calibration process is simulated by numerical method. The simulation results show that the comprehensive orientation error after calibration is greatly decreased, and the effectiveness of the calibration method is validated.     

Natural frequency analysis and experiment for 3SPS+1PS parallel hip joint manipulator based on rigid-flexible coupling theory

Journal of Mechanical Science and Technology - For analyzing natural frequency of a 3SPS+1PS parallel hip joint manipulator, a rigid-flexible coupling theory is proposed. 3SPS denotes that the PHJM...     

Atlas Based Kinematic Optimum Design of the Stewart Parallel Manipulator

Optimum design is a key approach to make full use of potential advantages of a parallel manipulator. The optimum design of multi-parameter parallel manipulators(more than three design parameters), such as Stewart manipulator, relies on analysis based and algorithm based optimum design methods, which fall to be accurate or intuitive. To solve this problem and achieve both accurate and intuition, atlas based optimum design of a general Stewart parallel manipulator is established, with rational selection of design parameters. Based on the defined spherical usable workspace(SUW), primary kinematic performance indices of the Stewart manipulator, involving workspace and condition number are introduced and analyzed. Then, corresponding performance atlases are drawn with the established non-dimensional design space, and impact of joint distribution angles on the manipulator performance is analyzed and illustrated. At last, an example on atlas based optimum design of the Stewart manipulator is accomplished to illustrate the optimum design process, considering the end-effector posture. Deduced atlases can be flexibly applied to both quantitative and qualitative analysis to get the desired optimal design for the Stewart manipulator with respect to related performance requirements. Besides, the established optimum design method can be further applied to other multi-parameter parallel manipulators.     

新型三自由度并联机构工作空间分析

随着并联机构技术的发展,少自由度并联机构由于具有结构相对简单,控制容易等优点,逐步成为机构学领域新的研究热点,在工业领域有着广阔的应用前景。针对并联机构工作空间较小的特点,对一种新型三自由度并联机构进行研究。该机构的工作空间对称分布于定平台的两侧。在分析其结构特点的基础上,推导出其位置反解方程。根据约束条件,采用数值方法绘制出工作空间的三维立体图和Z截面上的边界图。并定量分析了机构设计参数对工作空间大小的影响。     

新型6-PSS并联机器人工作空间分析

提出一种由Stewart平台演绎而来的正交6－PSS并联机器人新机型，介绍其结构布局特点，基于位置反解及其结构约束条件，绘制其工作空间的轮廓图，并定量分析该并联机器人RPY角和机构尺寸参数对其工作空间大小的影响，为该并联机器人的设计与实用化提供理论依据。     

3自由度平动并联机构结构参数的优化

由于 3自由度平动并联机构结构参数的选取对运动平台的工作空间以及并联机构的运动灵活性都会产生影响 ,所以如何选取结构参数是一个很重要的问题。本文求解了当运动平台的工作空间达到指定的范围的基础上 ,运用MonteCarlo方法使得运动灵活性和尺寸值达到最优的结构参数。     

七索并联对接机构作业空间分析及索力优化设计

柔性索并联机构具有工作空间大、能耗低和惯量小等优点,适合于重载及长径比大的工件吊装对接。提出一种七索驱动的6自由度柔性并联对接机构。借助静力学方程推导出该七索柔性并联机构的结构矩阵,并根据结构矩阵的零空间,计算得到设计参数下的可控工作空间和可行工作空间。通过比较工作空间大小,确定出动平台铰接点角度、动平台半径和下拉索分布半径3个设计参数。以下拉索索力均匀为优化目标,计算出下拉索索力变化情况,并结合工作空间分析和索力变化特点,给出一组满足设计要求的尺度参数。     

角度与运动约束下串联式机械臂工作空间求解与结构优化

深水作业机械臂通常采用串联式结构,机械臂每个关节的转动角度与长度会受到相应的限制,这些参数会直接影响到机械臂的运动轨迹规划和作业效率。机械臂的有效工作空间的求解是一个多目标多约束的优化问题。通过数学分析建立机械臂的运动学模型,分析影响有效工作空间的相关参数,利用图解法来分析机械臂工作空间的边界曲线,得到机械臂的有效工作空间的截面。针对机械臂有效工作空间的截面积建立数学解析模型,最后运用遗传算法求得满足约束条件下的机械臂有效工作空间最优解和能够实现高效作业的最优结构参数。仿真结果表明,该模型能够有效求解角度与运动约束下的串联式机械臂结构优化问题。