变自由度4-~xP~xR~xR~xR~yR_N并联机构

提出一种变自由度4-xPxRxRxRyRN并联机构,该机构中与动平台4边相连的4个转动副两两相对且轴线重合(记为u轴和v轴).运用螺旋理论对机构的自由度进行分析和驱动副选取.初始位形下,4-xPxRxRxRyRN并联机构的动平台平行于定平台,此时动平台具有3个连续的移动自由度和两个瞬时转动自由度,其转轴可为平行于定平台的任何两条直线.动平台仅可绕u轴或v轴从初始位形下发生连续转动,此时动平台具有3个连续的移动自由度和1个连续转动自由度,转轴为u轴或v轴,且这两个转动自由度互斥,即如动平台先绕u轴发生连续转动后,就不能绕v轴发生连续转动,必须待动平台再次平行于定平台时才能切换,反之亦然.为实现自由度切换的完全可控,4-xPxRxRxRyRN并联机构需采用5个驱动器进行冗余驱动.     

2-RPU/UPR并联机构自由度和位置分析

2-RPU/UPR是一种具有两转一移(2R1T)的并联机构,首先对该机构的组成进行了介绍,然后基于螺旋理论建立2-RPU/UPR并联机构的初始位形,并对其自由度进行了分析;根据动平台绕两条连续转动轴线转动的角度,采用旋转变换公式得到了动平台的位姿,由机构支链的约束条件,求解得出了并联机构的位置反解;又由空间的坐标向量关系及性质系再次推导出了该并联机构的位置反解。该机构结构简单、关节数目少的特点,易于标定和控制,故具较好的应用前景。     

2-RPU/SPR并联机构位置正解及位置多解分析

提出一种两转一移(2R1T)三自由度并联机构2-RPU/SPR,该机构具有两条连续转轴,则可采用旋转变换公式运算,由动平台绕两条连续转动轴线转动的角度得到了动平台的位姿,然后根据机构的杆长约束条件,求解得到分支杆杆长与机构动平台位姿之间的关系表达式,运用位置反解逆思想求解位置正解,则可以求出位置正解解析式,并采用Adams仿真软件对其进行了仿真验证。基于典型6-SPS机构和本论文提出的机构,运用Matlab软件数值求解出多组实数解,再采用Adams验证正解多解原因,不同样条曲线驱动使杆长达到一致,造成动平台位姿不同,得出机构位置正解多解的原因。机构位置分析对机构的运动学标定和轨迹规划有着重要的意义。     

空间2T1R型并联机器人机构的设计与运动学分析

提出一种新型3自由度空间并联机器人机构,该机构由动平台、定平台和联接两平台的3条结构不同的分支运动链组成,机构动平台具有二维移动一维转动(2T1R)自由度。通过将动平台退化为末端操作器和机构3条分支运动链排列次序的调整,演化出另外两种新型2T1R并联机器人机构,且演化后的机构末端操作器具有更高的转动性能,能实现360°回转。基于螺旋理论对所提出机构的自由度进行了分析和计算,推导出机构的运动学解析解,包括位置、速度和加速度。由于机构雅可比矩阵为单位阵,且其条件数恒等于1,故此类并联机器人为完全各向同性机构。     

一种所有转轴均连续的五自由度混联机器人机构

根据两转一移并联机构两转动自由度转轴的分布,提出构造五自由度混联机器人机构构型的新思路,基于2-RPU&UPR并联机构构造一种新型五轴混联机器人机构。建立2-RPU&UPR并联机构的位置正反解模型,由于该并联部分存在两条连续转轴,可将其等效成一个三自由度串联机构RPR,进而将整个混联机器人机构等效为一个四自由度串联机构RPRR和一个移动平台的组合进行分析,根据这两部分位姿之间的解耦性,建立了混联机器人完整的位置正反解模型,并用加工球面轨迹的算例验证了所建运动学模型的正确性。提出的5自由度混联机器人所有转动自由度均具有连续转轴,能够得到解析的位置模型表达式,能够很容易实现轨迹规划与运动控制,具有良好的应用前景。     

一类两转动自由度完全解耦的三支链两转一移并联机构

提出了含恰约束支链两转一移3自由度并联机构(2R1T)两转动自由度完全相互解耦的两个充分条件,设计得到了两转动自由度完全解耦的2R1T并联机构RRU-UUR-RPR和RPU-UPR-RPR,采用螺旋理论对机构自由度性质进行了分析,得到机构两条连续转动轴线的分布。然后建立机构输入位移与位姿输出之间的映射模型,根据转动自由度完全解耦的数学描述,分析得到该机构两转动自由度是完全解耦的。最后比较分析了该类机构与其他两转一移三支链并联机构含有的被动单自由度运动副数目,该类机构含有的被动运动副数目仅为8,易于实现高结构刚度的目标,具有广阔的应用前景。     

基于空间几何的无伴随运动并联机构分析与综合

一移动两转动(1T2R)三自由度并联机构普遍存在的伴随运动对机构的运动精度及性能有不利影响,为得到一系列1T2R无伴随运动的并联机构,利用空间几何理论及螺旋理论对无伴随运动并联机构进行分析与综合.基于空间几何理论分析了无伴随运动并联机构的转轴条件,结合螺旋理论分析了该类机构动平台平面与约束螺旋的空间位置关系,将至少拥有1T2R自由度的支链分成4类,分析[R]-型支链在不同支链布局下的约束螺旋位置及转轴位置对伴随运动的影响,从而给出了1T2R无伴随运动并联机构的构型准则及结构条件,并通过构型综合得到了105种无伴随运动并联机构.对一种新型2RPU-RPRU无伴随运动并联机构进行了运动学分析,验证了该方法的正确性.     

2-PUR-PSR并联机构的运动学分析及尺度综合

Exechon机器人中的并联模块2-UPR-SPR机构由内副P驱动(U:虎克铰,P:移动副,R:转动副,S:球铰),运动部分质量大且对刚度有一定影响。提出外副驱动的2-PUR-PSR并联机构,具有和2-UPR-SPR相同的自由度数目和性质,采用螺旋理论分析了2-PUR-PSR并联机构的自由度,确定了其两条转轴,建立了位置逆解模型。基于螺旋理论得到描述机构运动/力传递性能的局部传递指标和全域优质运动/力传递空间比指标。借助空间模型法对2-PUR-PSR并联机构进行尺度综合,获得性能分布图谱,确定最优尺寸区域。2-PUR-PSR并联机构在加工、装配等方向有较好的应用前景。     

2-UPR-RPU并联机构奇异分析

具有两个转动一个移动(1T2R)的三自由度并联机构是少自由度并联机构中的一个重要分支。1T2R三自由度并联机构根据两条转轴的几何关系和性质可以分为P*U*、UP,PU和RPR等四类:目前对1T2R并联机构的奇异研究主要集中于P*U*类、UP类,而对PU类和RPR类并联机构的奇异研究极少。对一种RPR类的2-UPR-RPU并联机构进行奇异性分析。运用螺旋理论对2-UPR-RPU并联机构进行自由度分析,推导该机构的运动学反解方程,进而求出机构的雅可比矩阵。根据雅可比矩阵求出2-UPR-RPU机构的三类运动学奇异位形,分析该机构约束奇异。研究表明,2-UPR-RPU并联机构没有运动学反解奇异、运动学正解奇异和约束奇异,但是有两种混合奇异。     

新型2-TPR/2-TPS空间4自由度并联机构

提出一种新型2-TPR/2-TPS空间4自由度并联机构。机构的运动平台通过两个相邻的TPR分支运动链和两个相邻的TPS分支运动链与固定平台相联接。每个TPR分支由一个胡克铰T、一个移动副P和一个转动副R组成,一端通过胡克铰T与固定平台相联,另一端通过转动副R与运动平台相联;每个TPS分支由一个胡克铰T、一个移动副P和一个球面副S组成,一端通过胡克铰T与固定平台相联,另一端通过球面副S与运动平台相联。运用约束螺旋理论,对机构的运动性质和奇异位形进行分析。机构运动平台具有沿两个TPR分支所在平面的二维移动自由度,和以两个TPR分支胡克铰二级转动副轴线所在平面内的任何直线作为转轴的二维转动自由度。选取4个分支运动链的移动副作为驱动副,发现了机构可能出现的四种奇异位形。     

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。     

Type synthesis of two-degrees-of-freedom rotational parallel mechanism with two continuous rotational axes

The two-rotational-degrees-of-freedom(2R) parallel mechanism(PM) with two continuous rotational axes(CRAs) has a simple kinematic model. It is therefore easy to implement trajectory planning, parameter calibration, and motion control, which allows for a variety of application prospects. However, no systematic analysis on structural constraints of the 2R-PM with two CRAs has been performed, and there are only a few types of 2R-PM with two CRAs. Thus, a theory regarding the type synthesis of the 2R-PM with two CRAs is systematically established. First, combining the theories of reciprocal screw and space geometry, the spatial arrangement relationships of the constraint forces applied to the moving platform by the branches are explored, which give the 2R-PM two CRAs. The different distributions of the constraint forces in each branch are also studied. On the basis of the obtained structural constraints of branches, and considering the geometric relationships of constraint forces in each branch, the appropriate kinematic chains are constructed. Through the reasonable configuration of branch kinematic chains corresponding to every structural constraint, a series of new 2R-PMs with two CRAs are finally obtained.     

基于图谱法的新型运动分岔并联机构型综合

多模式并联机构在航空航天、机械加工、医疗康复等领域均极具应用前景,但目前能够实现多模式的运动分岔并联机构类型较少,绝大多数运动分岔并联机构中含有变自由度性质的RER支链,为此基于图谱法综合了一类新型运动分岔并联机构且机构中含有4类变自由度性质支链与已有的RER支链不同。首先基于图谱法以机构初始位置两瞬时转动自由度线非共面且相互垂直为例对2T1R运动分岔并联机构进行综合,随后将机构含有的URR支链中和定平台相连接的R副轴线方向改变,使其具有2R2T和3R1T两种自由度性质。将改进后的URR支链配置方案应用到部分4自由度和5自由度支链中,提出另外三类变自由度支链,每种类别支链分别有4、12、32种。以机构中含有4类不同变自由度性质的支链为分类依据,综合出四大类同时具有2T1R+2R1T两模式新型运动分岔并联机构,共包括12种子类别;以第4类变自由度支链为例,将其引入到并联机构中,通过图谱法综合出具有3T1R+2R2T两模式新型运动分岔并联机构。     

具有连续转轴的对称2R1T三自由度并联机构型综合

为综合出更多具有连续转轴的并联机构新机型,提出一种具有连续转轴的两转一移（2R1T）并联机构型综合新方法。运用螺旋理论,给出该类机构约束螺旋的空间布置,提出并联机构连续转轴的判别条件,确定分支运动副类型及空间位置关系。基于分支约束力与分支运动副之间的几何位置关系,证明了该类机构能够实现连续转动。利用该方法对具有平面上任意直线为连续转轴的对称两转一移并联机构进行综合,并仿真验证了研究结果的正确性。该综合方法简单、有效。     

具有连续转轴的新型3-UPU并联机构的运动特性分析

提出了一种新型3-UPU对称并联机构,该机构具有两个转动自由度和一个移动自由度（2R1T）。基于单叶双曲面几何性质,证明了该机构在任意位形下始终关于一个中间平面对称及机构自由度的非瞬时性;进而发现该机构动平台具有可绕其中间对称平面内任意直线做连续转动的特性,并通过仿真进行验证;采用一种新的两转动机构的姿态矩阵的求解方法,推导了该机构的运动学反解,并进一步分析了其工作空间。研究结果为该类机构的应用提供了理论参考。     

一种无汇交轴线对称三转动并联机构的运动分析

传统的三自由度转动并联机构（又称球面并联机构）一般都有一个转动中心,且这个中心点往往是分支间多个运动副轴线的汇交点,这种严格的几何条件给机构的加工制造带来很大的难度,制约了这类机构的应用。针对此,提出了一种无汇交轴线的对称三转动并联机构,其三个分支对称布置,分支内及分支间均无汇交轴线。对机构进行了位置反解,得到了机构四种对称的装配构型;从分支运动奇异、平台约束奇异和驱动奇异三个方面对机构进行了奇异分析;最后给定了一组尺寸参数,采用数值搜索的方法得到了机构的姿态工作空间。通过结果可以看出,该机构可以实现三维转动,具有较大的姿态工作空间,而且制造装配相对容易,具有很好的应用前景。     

2-UPR-SPR并联机构尺度综合

五自由度Exechon机器人被广泛应用于高端制造业,其由具有两转一移三自由度的2-UPR-SPR并联机构和RR串联机构组成(U代表虎克铰,P代表移动副,R代表转动副,S代表球副)。目前对Exechon中并联机构的尺度综合鲜见报道。运用基于螺旋理论的运动/力传递性能指标对Exechon中并联机构2-UPR-SPR进行尺度综合。建立机构运动学反解模型,并对机构进行螺旋分析,得到2-UPR-SPR并联机构的局部传递性能指标和全域性能指标,作为机构运动/力传递性能评价准则。结合空间模型法,获得2-UPR-SPR并联机构的相关指标性能图谱,且根据工程实际需要确定最优区域,在该区域内选取多组数值实例并进行最优筛选。     

2-PRS-PRRU并联机构运动学与奇异分析

[PP]S类并联机构可实现1移动自由度和2转动自由度,具有广泛的应用前景。2-PRS-PRRU并联机构属于[PP]S类并联机构。运用螺旋理论分析2-PRS-PRRU并联机构的自由度特性,确定动平台的两条连续转轴。研究2-PRS-PRRU并联机构的伴随运动,证明该机构无伴随运动。建立该机构位置正/逆解模型,推导出位置正/逆解的解析表达式,进而求得该机构的雅可比矩阵。通过对雅可比矩阵的分析,确定机构的逆解奇异、正解奇异和混合奇异。2-PRS-PRRU并联机构具有确定的连续转轴和无伴随运动的特性,使其在实际应用中具有很大潜力。