基于螺旋理论的少自由度并联机构自由度分析

少自由度并联机构自由度的减少本质上是因为受到分支施加的结构约束的合成作用决定。运用螺旋理论描述单个分支约束及所有分支约束的合成，并从几何上直接分析约束的线性相关性，判别出机构自由度的性质，同时给出公共约束，冗余约束存在的几何条件和相应的判别计算公式，在此基础上得到普遍适用于少自由度并联机构自由度计算的修正Grtibler—Kutzbach计算公式和一种等价的完全依靠约束分析的自由度计算公式。笔者提出的方法不仅适用于对称少自由度并联机构，也适用于非对称少自由度并联机构。     

少自由度并联机构运动学解析方法研究

对于少自由度的并联机构,基于它在运动时受到的约束力和约束力矩.给出了约束力/约束力矩的判断准则.并推导出了少自由度并联机构统一的雅可比矩阵和Hession矩阵.最后,应用所推导理论,对3-RPS并联机构进行运动学分析.为少自由度并联机构的静力学、动力学解析提供了统一的运算依据.     

3-PRRU并联机构自由度分析

3-PRRU并联机构具有2个转动和1个移动自由度,是少自由度并联机构中的一个重要分支,具有较大的应用潜力。运用几何代数对3-PRRU并联机构进行自由度分析。首先用几何代数表示了分支和动平台的运动空间;然后通过对分支运动空间求交得到动平台的运动空间,该运动空间的基给出了3-PRRU并联机构自由度的符号表达式。使用几何代数方法所得结果具有几何直观性,且不需要对机构进行约束分析,运算更为简捷。     

2T1R型少自由度并联机器人新构型及其运动

目的 通过运动学分析,完善并联机器人理论,优选设计2T1R型新型并联机器人机构.解决并联机器人产业化关键技术.方法 用添加约束法实现二维平动和一维转动的并联机器人构型设计,并对新构型进行约束分析和自由度计算;对新型3自由度并联机器人作位置分析和速度分析,用空间坐标转换理论推导出机构的雅可比矩阵;通过仿真方法 描绘出机构的运动曲线.结果 通过计算分析,用添加约束法作出的3种新构型3-TPS/RPP、3-TPS/CP和3-TPS/RUp,证明都具有3个自由度,能实现二维平动和一维转动.建立了新构型机构的位置正、反解计算方程.计算雅可比矩阵,求出速度反解.结论 该类并联机器人的速度较平稳,可控性良好.3种2T1R型少自由度并联机器人新构型能实现预定的运动,具有良好的运动性能,可以进一步开发和应用.     

2TIR型少自由度并联机器人新构型及其运动

目的通过运动学分析,完善并联机器人理论,优选设计2TIR型新型并联机器人机构,解决并联机器人产业化关键技术．方法用添加约束法实现二维平动和一维转动的并联机器人构型设计。并对新构型进行约束分析和自由度计算;对新型3自由度并联机器人作位置分析和速度分析。用空间坐标转换理论推导出机构的雅可比矩阵;通过仿真方法描绘出机构的运动曲线、结果通过计算分析,用添加约束法作出的3种新构型3-TPS／RPP、3-TPS／CP和3-TPs／RUp。证明都具有3个自由度,能实现二维平动和一维转动．建立了新构型机构的位置正、反解计算方程．计算雅可比矩阵,求出速度反解．结论该类并联机器人的速度较平稳,可控性良好、3种2TIR型少自由度并联机器人新构型能实现预定的运动,具有良好的运动性能,可以进一步开发和应用．     

少自由度并联机构刚度研究现状与发展趋势

并联机构具有机构刚度强、运动精度高、累积误差小、响应速度快等优势,已逐渐被应用于各个领域,如模拟驾驶器、并联机床、微/纳医疗设备、精密传感器等重要领域。近年来,由于资源与劳动成本的不断提高,少自由度并联机构的构型拓扑设计与机构性能研究等问题已经成为并联机构领域中重要的研究方向,越来越多的学者意识到少自由度并联机构对于产业成本降低和持续发展的重要性。     

一种新型3-URS机构分析

为了保证3-URS机构实现确定运动,利用螺旋理论进行了分析。描述了机构的单分支约束及所有分支约束的合成,分析了机构约束螺旋系的相关性与冗余约束和局部自由度等因素对机构自由度的影响,根据修正的Grübler-Kutzbach公式计算出并联结构的自由度为6。结果表明,机构实现确定运动需要6个输入运动。     

含有纯约束分支的无耦合2T型并联机器人构型综合

为解决并联机器人强运动学耦合性问题,提出一种含有纯约束运动分支的无耦合二维移动(2T型)并联机器人的构型综合方法.此类并联机器人的分支运动链包括2种类型:向动平台提供驱动力的主动分支和仅提供约束的纯约束分支.首先基于机构输入-输出运动之间的数学模型和驱动力螺旋理论建立了机构主动分支的结构综合方法;然后根据分支运动特性和约束螺旋理论实现了纯约束运动分支的结构综合;最后按照各分支运动链的配置条件完成了并联机器人的构型综合,得到多种新型机构.对综合出的2种2-RURR/RRR和2-CPR/RPR并联机器人进行自由度和运动分析,基于其雅可比矩阵判断出机构均具有无耦合运动学特性,验证了所提出理论方法的正确性和有效性.     

少自由度变胞并联机构综合设计方法

为实现可重组并联机构的创新设计,提出基于基本支链构型的变胞并联机构设计方法.该方法从少自由度并联机构动平台所受的约束出发,运用螺旋理论中相逆螺旋的性质,构造约束螺旋为力或力偶的两类基本支链,并根据基本支链构型的特点构造变胞支链,实现并联机构的变胞设计.对构型相似的线矢力和力偶基本支链进行融合得到变胞支链,通过锁住不同运动副的方式实现变胞支链在两类基本支链之间转化,构造出动平台约束性质可变的变胞并联机构;根据基本支链约束螺旋的方向特点,通过改变运动副轴线方向的方式实现支链约束螺旋方向的改变,进而构造出动平台约束方向可变的变胞并联机构.用所提出的变胞并联机构设计方法,结合Bricard机构的单自由度运动特性,实现动平台为Bricard机构的变胞并联机构的构造.基于基本支链构型进行变胞并联机构构型设计,根据动平台的约束对变胞支链进行组合和变型,实现变胞并联机构的综合,为机构创新设计奠定基础.     

无奇异3UPS+1RPU新型并联机构

为消除并联机构奇异性,研究一种约束支链法构成的新型并联机构.通过在3个UPS支链基础上添加1个RPU约束支链构成一种2转动2移动4自由度并联机构,采用矢量法和虚功原理对机构的运动学、静力学进行分析,得到机构的位置逆解、完整雅可比矩阵及静力映射矩阵;利用矩阵原理对雅可比矩阵进行分析,雅可比矩阵的秩反映了机构的奇异情况,推得约束支链对机构产生奇异性的影响结果.提出3UPS+1RPU并联机构消除机构奇异性的条件,进一步推广得到此条件同样适用于由约束支链法构成的其他非对称并联机构.结果表明,该研究方法为并联机构的奇异性消除提供了一种新途径.     

基于旋量理论的串联机器人逆解子问题求解算法

为了提高串联机器人逆运动学的求解效率,明确逆解的几何意义,提出基于旋量理论的逆运动学子问题求解算法.该子问题描述为“绕3个不相交轴旋转（其中2个轴线平行,且与第3个轴异面）”.以6自由度串联机器人“钱江一号”为例,通过旋量理论及指数积(POEs)方程来建立运动学模型,给出该新型逆运动学子问题的求解方法.将整体逆运动学问题分解为该类子问题和其他已知的Paden-Kahan逆运动学子问题来联合求解.通过实例验算证明,该逆运动学子问题的求解方法高效可靠,具有明显的几何意义,能够满足机器人的强实时系统控制要求.     

一种AUV并联型矢量推进机构的姿态控制算法

为克服一些AUV矢量推进方式存在的作动器外置、自由度冗余等缺点,提出一种基于少自由度并联机构、作动器内部布置、满足两自由度矢量推进的结构方案.方案采用RS+2PRS并联机构作为AUV推进系统的主体结构,并联机构的固定平台与AUV的尾部舱壁固联、机构的运动平台安装螺旋桨等推进器,将驱动部件和动力输入单元内置于AUV舱体内部,结构紧凑,刚度性能好,便于推进系统的密封与防护;通过推进机构的运动参数解耦分析可知,该推进机构的自由度为2,独立运动参数为螺旋桨安装平台的进动角和章动角;可以采用两个移动副构件作为机构的驱动输入,建立推进机构欧拉姿态角与两路驱动参数之间的非线性映射模型;利用MATLAB和ADAMS的联合仿真分析,并搭建实物装置实现了螺旋桨姿态角的快速调整,从而实现AUV航向角和俯仰角的改变.研究结果表明,该型两自由度推进机构结构可行,姿态控制算法正确有效,可以有效提升AUV的水下机动性和工作效能,为后续两自由度矢量推进机构的工程化应用奠定理论基础.     

一种四足磁吸附爬壁机器人运动学分析及仿真

为实现爬壁机器人在不同曲率的铁基壁面上可靠吸附和自由运动,设计了一种能够全方位运动的四足磁吸附爬壁机器人。首先运用修正的Grübler-Kutzbach(G-K)公式对机器人进行了自由度分析。然后采用D-H法建立了机器人行走腿的连杆坐标系,分析了行走腿的正逆运动学。接着将机器人视为并联机构,分析了运载平台的正逆运动学,给出了逆运动学的解析解,并使用了一种基于牛顿法的求解含有冗余方程的数值算法得到了正运动学的数值解,建立了完整的机器人运动学数学模型。为了验证所建数学模型的正确性,使用Matlab根据所建数学模型编写计算程序,在Matlab和Adams中分别做了相同的正逆运动学仿真进行对比验证。最后使用螺旋理论得到了机器人的雅克比矩阵,结合Grassmann线几何理论分析了机器人的正逆运动学奇异位形,并验证了非冗余驱动时的一种正运动学奇异位形,给出了避免奇异性发生的方法。自由度分析结果表明运载平台具有六个自由度,能够完成空间全方位运动,机器人的结构设计合理;Matlab和Adams的仿真结果一致并且正逆运动学能够相互验证,说明了所建的数学模型的正确性,为机器人的运动控制、轨迹规划提供了理论基础;奇异性分析得出了机器人的奇异位形,为避免机构奇异性的发生提供了方向,利用逆运动学奇异性实现了无功耗静止。     

面向工业风机叶片划线的2-DOF并联机构运动特性分析

以工业风机叶片加工为应用背景,提出了一种二自由度并联机构,并据此构建一平面划线装置代替传统的叶片手工划线加工工艺.通过分析得出了该装置机构末端执行点（划线头）的位置正逆解、工作空间及奇异位置;按叶片外形轮廓曲线,运用Matlab分析得出了机构划线作业时各输入杆件的运动特性,为实现叶片自动划线加工工艺提供了一种新的思路和保障.     

并联机构运动学与奇异性研究进展

为了发展更多新型结构的并联机器人,克服传统并联机器人工作空间较小、奇异性与运动学正解分析复杂的缺点,针对并联机构运动支链结构形式,将并联机构分为杆支撑并联机构、绳牵引并联机构和钢带并联机构,并介绍了这3种并联机构的运动学原理.针对这3种并联机器人机构形式,从运动位置、工作空间、奇异位形3方面,对国内外并联机器人运动学与奇异性的研究现状进行详细的阐述.分析钢带并联机器人结构与驱动方式的特殊性,对钢带并联机器人在运动过程中由于钢带承载力有限导致失稳所带来的问题进行探讨.结果表明,并联机器人运动学与奇异性的理论研究方法还不成熟,需要从结构设计和理论2方面进行突破才能解决并联机器人发展的瓶颈问题,从而拓宽并联机器人的应用领域.     

Cartesian impedance control of dexterous robot hand

Presents a novel compliant motion control for a robot hand using the Cartesian impedance approach based on fingertip force measurements. The fingertip can accurately track desired motion in free space and appear as mechanical impedance in constrained space. In the position based impedance control strategy, any switching mode in contact transition phase is not needed. The impedance parameters can be adjusted in a certain range according to various tasks. In this paper, the analysis of the finger‘s kinematics and dynamics is given. Experimental results have shown the effectiveness of this control strategy.     

六自由度摇摆平台的反解模型及其仿真研究

六自由度摇摆平台驱动缸的缸长变化规律是优化平台结构参数,满足其性能指标要求,找到合理的轨迹规划方法以实现平滑运动和减少震动的关键.为了得到缸长变化规律,推导了六自由度摇摆平台运动学反解算法,在MATLAB/Simulink中利用该算法搭建了摇摆平台的运动学反解模型,并与ADAMS三维仿真结果进行对比,验证了反解模型的正确性.通过模型仿真得到了伺服电动缸的缸长变化曲线,显示了平台在六个自由度上的运动规律,为优化平台结构参数,搭建控制系统提供了依据.     

新型2CCC-4SPS角度约束并联机器人机构的运动学正解

介绍了一种具有线线角度和点点距离约束的新型并联机构——角度约束并联机构（2CCC-4SPS），对自由度和运动学正解进行了研究；通过Sylvester结式及Groebner基的原理导出了位置正解输入输出方程，得出32组位置正解，并使用数值算例验证了其全部解。     

数控非球面超光滑加工机床空间误差建模

为了快速有效地提高超光滑加工机床的加工精度,为实施误差补偿做好基础和准备工作,进行了超光滑加工机床误差建模技术的研究.根据数控超光滑加工机床的具体结构,运用多体系统运动学理论的基本原理,建立了机床成形系统的拓扑结构和低序体阵列,并推导出机床相邻体的特征矩阵,它是进行机床精度分析与建模的核心.基于多体系统运动学精度分析理论,详细研究了数控超光滑加工机床的理想成形运动函数、理想成形运动约束、实际成形运动函数以及实际成形运动约束,进而得到了刀具成形点的综合空间位置误差,最终完成了超光滑加工机床的综合空间误差建模过程,给出了具体模型表达式.     

Research of 6-DOF Serial-Parallel Mechanism Platform for Stability Training of Legged-Walking Robot

The concept of legged-robot stability training with a training platform is proposed and a serial-parallel mechanism platform with 6 degrees of freedom is designed for this target. The designed platform is composed of 4-DOF parallel mechanism with spherical joints and prismatic pairs, and 2-DOF serial mechanism with prismatic pairs. With this design, the platform has advantages of low platform countertop, big workspace, high carrying capacity and high stiffness. On the basis of DOF analysis and computation of space mechanism, weight supporting auxiliary mechanism and raceways-balls supporting mechanism are designed, so as to improve the stiffness of designed large platform and payload capacity of servo motors. And then the whole structure design work of the platform is done. Meanwhile, this paper derives the analytical solutions of forward kinematics, inverse kinematics and inverse dynamics. The error analysis model of position and orientation is established. And then the simulation is done in ADAMS to ensure the correctness and feasibility of this design.