一种高精度大行程2R1T并联定位平台

为了解决传统压电陶瓷驱动器所固有的高精度与大行程的矛盾,提出了一种新型可直接外力驱动的三自由度并联精密定位平台,利用压电直线电机直接驱动即可实现大行程与高精度定位。首先,分析了柔性铰链结构参数对其作动行程的影响机理,在此基础上设计了大行程圆柱柔性铰链,并对大行程圆柱柔性铰链的结构参数进行了模糊优化设计;接着,采用两个平移副和一个一体化、大行程圆柱形柔性铰链构建了并联分支链路,采用3条并联支路设计了2R1T并联精密定位平台,并通过坐标齐次变换方法构建了并联平台的运动学模型,推导出了并联平台位姿正反解;最后,对2R1T并联定位平台开展了实验研究。实验结果表明所设计的2R1T并联定位平台具有良好的运动同步性和重复性,利用压电直线电机的步进运动模式可实现精密定位,其平动定位分辨率为0. 09μm,转动定位分辨率分别为0. 8μrad、0. 9μrad和1. 0μrad;利用压电直线电机的连续运动模式可实现大行程空间定位,其平动工作行程为120 mm,转动工作行程分别为6. 18°、6. 74°和6. 58°。借助于压电直线电机的不同工作模式实现了并联平台的精密定位和大行程工作空间两个关键指标,为进一步研究2R1T并联机构的动态性能、精密定位及控制规律的实现等提供了重要的理论价值和实践基础。     

六自由度并联驱动平台机构的位置姿态精度控制

位置姿态的精度问题是六自由度并联伺服驱动平台的关键技术之一。本文对六自由度并联平台机构的位置姿态精度控制进行了探讨，分析了几种位姿精度补偿的方法。同时，针对实际对象，作了六自由度并联平台位姿精度控制的初步试验，结果表明，所采取的平台位姿精度控制方法具有一定的有效性     

苹果采摘机器人的结构设计与分析

为适应复杂的果园采摘环境,本文设计了一款苹果采摘机器人,结构由麦克纳姆轮承重行走机构、Stewart六自由度并联平台、采摘机械臂、视觉传感器、末端执行器等组成。首先,对六自由度运动平台进行隐式动力学分析与仿真,验证了模型的正确性;其次,对主要部件六自由度平台和末端执行器进行结构及强度校核。结果分析表明,模型稳定,机械结构设计合理。     

六自由度减摇模拟器系统研发

采用六自由度运动平台模拟船舶的运动,在其上部安装六自由度Stewart平台作为减摇装置,将船舶运动平台的位姿实时反馈到Stewart减摇平台的控制系统中,通过减摇控制算法获得减摇平台的控制信号,对Stewart减摇平台进行同步控制,实验结果证明减摇效果非常有效,理论上可以达到静止的效果。     

基于立体视觉的六自由度平台位姿检测基础研究

位姿是六自由度平台的一项重要性能指标,其全方位、全行程的动态精确检测,对于六自由度平台的精确控制及广泛应用具有十分重要的意义,介绍六自由度平台,提出并着重讨论采用立体视觉对六自由度平台位姿进行检测的原理及具体步骤。实验结果表明,对于六自由度平台位姿的检测。立体视觉是一种可靠、快速、简单、可行的方法。     

六自由度并联平台的模态分析方法研究

通过实验模态分析和灵敏度分析的方法可以获得六自由度并联平台在典型位姿下的低阶固有频率、振型、阻尼比,并确定其薄弱环节.以BKX-Ⅰ型并联机床为例对六自由度并联平台的实验模态分析和灵敏度分析方法进行了研究,并提出了提高六自由度并联平台动态特性的具体措施,为其结构的动态设计和优化设计提供了有效方法.     

步进电机驱动六自由度并联运动平台设计

为了能够在实验室内进行小型仪器元件的六自由度运动模拟和演示,设计了以步进电机驱动滚珠丝杠传动的小型六自由度并联运动平台。通过运动学反解建立了算法公式,应用Matlab仿真,得出了平台运动时各支路长度的变化曲线,验证了求解算法的正确性;运用Kutzbach-Grubler公式分析了电驱动UPU结构形式并联运动平台自由度的计算方法。根据给定参数建立了平台的三维模型,进行了结构协调性检测,并完成了步进电机驱动的六自由度平台的实体结构研制。将Lab VIEW组态软件与Matlab脚本解算程序结合,用于对平台的运动控制。测试结果表明:平台完全可以按照预定轨迹进行空间6个自由度的运动,实现对小型仪器元件的运动模拟。     

六自由度Stewart平台误差建模及误差补偿分析

以六自由度Stewart平台为研究对象,分析了Stewart平台误差来源,同时为提高Stewart平台工作质量,引入了一种有利于提高Stewart平台精度的运动学标定方法,并运用运动学逆解方法建立了Stewart平台误差模型,进一步计算出平台输出端位姿,此外,还提出了运用最小二乘法实现运动参数测量的方法。     

基于大型构件装配的六自由度并联机构设计技术研究

部分机械产品由多段大型构件组成,装配中一个移动构件相对于另一个固定构件具有空间六自由度。目前用于装配的调姿机构,通过调节关节改变工件的位置和姿态,关节空间与工件的位姿空间不一一对应,即各自由度调节具有耦合性,会严重影响装配效率。为此设计了一种基于气缸驱动的Stewart平台并联调姿机构,具有较好的柔性和自适应性,调节位姿时可直接作用于工件的位姿空间,提高工作效率。首先,建立并联机构模型,并对机构的运动学和静力学进行了分析;其次,采用Adams软件对模型进行了仿真分析,同时采用MATLAB软件对仿真结果进行对比验证;最后,依据边界条件和优化目标提出了一套优化设计流程,通过分析计算得到了相对较优的调姿平台模型参数。     

六自由度柔性精密传动与定位平台的静态特性分析

基于柔顺机构学、机械原理和空间机构学,设计了由压电陶瓷驱动器驱动的六自由度柔性精密定位平台。利用伪刚体法和虚功原理对平台进行静力学分析,得到了沿X、Y、Z轴移动,绕X、Y轴摆动和绕Z轴转动6个自由度的静态刚度及运动特性,利用APDL对定位平台的结构进行优化,得到了平台6个方向运动的最大行程。对定位平台进行有限元仿真,并通过搭建的实验平台进行测试,将实验结果与理论结果和仿真结果进行对比分析,验证了理论模型的正确性及平台结构的合理性。     

基于线驱动并联机构的FAST馈源平台位姿测量方法

"中国天眼"——500 m口径球面射电望远镜(Five hundred meter aperture spherical radio telescope,FAST)日前已投入使用,其独创的光机电一体化馈源支撑方案使得结构重量降低2个数量级。在6根柔索对馈源舱进行初步定位的基础上,舱内的AB轴机构和精调Stewart平台支撑起馈源平台,并进行实时位姿补偿以实现馈源对天文目标的高精度跟踪。为避免通过各级驱动关节反馈值计算馈源平台位姿时,不能反映杆件弹性变形、铰链间隙引入的馈源平台误差,提出一种基于线驱动并联机构的馈源平台6自由度位姿直接测量方法,研究了测量系统的数学模型,利用机构构型的特点简化了线驱动并联机构的位姿正解算法。通过将简化后的位姿正解算法与传统6自由度机构位姿正解算法进行对比,验证了该方法的有效性和实时性;进一步分析了基于该方法的测量系统误差来源,得出了机构参数的误差映射关系。数值仿真结果表明:基于线驱动并联机构6自由度位姿测量系统具有误差平均效应,通过拉线连接点优化布局能够达到0.5 mm和0.025°的测量精度。     

新型六自由度微动并联机构的工作空间分析

在实现天文光学镜面毫米级行程位姿调整和微纳米级精密定位中,基于全柔性铰链的新型3SPS+3(SP-U)六自由度并联机构的工作空间主要由柔性铰链相对较小的回转空间所定义。分析了3SPS+3(SP-U)并联机构运动自由度及其部分自由度解耦特性,并根据实物样机的几何参数建立了其运动学逆解模型。在此基础上,基于柔性铰链回转空间及支链行程范围,采用搜索法分析了其工作空间,并采用激光跟踪仪对样机的工作空间进行了实测。理论计算和实测结果验证了该机构动平台中心点的平动位移空间可达±3 mm,转角空间可达±1°,确保了其在应用中具有足够的工作范围,达到了设计目标。     

菱形压电电机在并联精密定位平台中的应用

为了解决传统压电陶瓷驱动器固有的高精度与大行程的矛盾,提出了利用非共振式压电电机的两种不同运动模式来实现精密定位平台的定位高精度与工作大行程的方案。设计了一种新型菱形压电电机,分析其工作原理,给出了定子结构及夹持预紧结构的设计方案。菱形压电电机的实验结果表明,其步进作动模式下定位分辨率为1.0μm,连续运动模式下最大空载速度为0.932mm/s。在此基础上,利用3台菱形压电电机同步驱动并联精密定位平台,实验结果表明,并联平台平动定位分辨率为1.0μm,转动定位分辨率分别为8.6,11和10μrad。实验重复进行10次,动平台定位分辨率的波动率均低于5%,表明了该并联平台具有良好的同步性与重复性。另一方面,利用菱形压电电机的连续运动模式可实现大行程空间定位,其平动工作行程为3.54 mm,转动工作行程分别为3.92°,4.16°和4.05°。借助于菱形压电电机的不同工作模式实现了并联平台的精密定位和大行程工作空间两个关键指标,为进一步研究精密定位平台的动态性能、控制规律提供了理论价值和实践基础。     

直线超声电动机驱动的平面3-PRR并联平台视觉精密定位

提出一种直线超声电动机驱动的平面3-PRR并联平台,研究并联平台视觉精密定位技术。给出并联平台结构并采用矢量链法得到并联平台运动学模型。针对并联平台动平台位姿测量问题,利用视觉系统作为反馈单元,通过图像处理技术对动平台上的人工特征中心定位,实现对动平台位姿精确测量;针对传统PID关节控制器在实际控制中问题,采用基于扰动观测器的并联平台支链控制器模型。试验结果表明：对于目标位置为(20 mm,20 mm),并联平台半闭环控制精度约为±500 µm,而通过视觉定位精度达到±5 µm。视觉定位较半闭环控制大幅提高了并联平台定位精度,能够满足并联平台大行程、高精度定位的需求。     

一种新颖的6自由度并联机床结构型式及其局部各向同性分析

针对以Stewart平台为原型的6自由度并联机床各项同性和工艺性差等问题,提出一种新颖的6－DOF并联机床结构,应用并联机器人机构学理论,论证了该种结构型式的并联机床在其工作空间内存在速度和力各向同性位姿,具有最佳的运动和力传递性能,选择各向同性位姿为机床初始装配位姿,改进了机床的结构,改善了装配工艺性。     

3PSU/PU并联机构的误差建模及实验验证

首先对3PSU/PU三自由度并联机构进行了结构分析和坐标系建立,在此基础上推导出43项结构参数的误差模型。给定结构参数误差,采用误差模型以及牛顿迭代法分别计算末端位姿,通过比较两组位姿对误差模型进行数值方法验证。最后对机构进行运动学标定和误差补偿实验,其间涉及机构的位姿测量、参数辨识以及误差对比,并观察总结实验结果。通过分析、数值方法和实验验证了所建立的3PSU/PU机构误差模型的正确性。     

基于D-H矩阵的Stewart型并联机床位姿误差计算模型

针对6自由度Stewart型并联机床,以D-H变换矩阵为建模工具,建立起包含铰座位姿参数、杆件D-H参数的机床动平台位姿方程.采用矩阵微分方法推导出一个机床位姿误差线性化计算模型.该模型不仅使铰座位姿参数误差、杆件D-H参数误差等几何误差全部进入机床位姿误差计算方程,而且将机床位姿误差与几何误差之间的非线性隐式函数关系简化为线性显式函数关系.基于支链杆长方程建立起一个能描述机床位姿误差与几何误差之间实际映射关系的非线性计算模型,以其作为参考模型对线性化计算模型的有效性进行检验.仿真表明:在小误差条件下,线性化模型可以很好地逼近非线性模型,由于具有形式简洁、分析与计算方便等特点,基于D-H变换矩阵的位姿误差线性化计算模型可用于Stewart型并联机床的精度分析、精度综合及运动学标定.仿真结果还表明:当对机床位姿精度要求较高时,需要考虑杆件的全部D-H参数误差对机床位姿的影响.     

一种新型3-RPS并联机构的刚度特性分析

对于少自由度并联机构,当机构静止时,其动平台的位姿变形为三维的线变形和三维的角变形。基于雅可比矩阵建立的静刚度模型不能定量描述动平台在非自由度方向的位姿变形量。针对此问题,从单元柔度矩阵的角度对机构静刚度进行了研究。首先通过小变形叠加原理得到单条支链末端变形量。然后基于刚体上任意两点的运动规律,建立各支链末端变形量和动平台位姿变形量的关系。最后基于力的平移定理,通过建立动平台的力平衡方程得到机构的完整静刚度模型。以一种转动副轴线平行布置的新型3-RPS并联机构为例,结合数值算例求解了动平台的全部位姿变形量,通过与ANSYS的有限元结果进行对比,验证了该建模过程的正确性。     

基于Stewart平台的六轴并联机床的研究

分析了国内外并联机床的研究现状,并阐述了并联机床相对于传统机床的优势。从总体上介绍了研究并联机床所涉及的主要内容。基于Stewart平台模型,提出改进的运动平台机构;根据平台初始位姿和目标位姿,通过逆向解法,计算杆件的伸缩长度;借鉴成熟控制算法,基于“PC＋运动控制卡”控制系统,设计控制规则,综合逆向求解参数,编写控制系统程序代码。     

计算全息补偿检测自由曲面的高精度位姿测量

为实现自由曲面的定位与位姿高精度测量,提出了“光学-机械”基准定位法,建立了位姿测量模型,并对该方法的定位误差和基准选择展开研究。根据三坐标测量机与计算全息提出了“光学-机械”基准定位法。然后,采用球形安装的回射器（Sphere Mounted Retroreflector,SMR）、猫眼、基准球作为基准,基于波像差理论与视差效应分别建立了3种基准的位姿测量模型,得到了位置误差与基准区域波前像差的函数关系,并对3种位姿测量模型进行对比。最后,对3种基准位姿测量方法进行仿真及实验验证,实测结果与模型的残差结果均小于0.05λ,相对误差均小于2.43%,验证了模型的准确性。实验结果表明,当检测距离为1 000 mm时,猫眼法的轴向定位误差为24μm;基准球法的轴向定位误差为50μm;SMR靶球法的轴向定位误差为16μm,X,Y方向的定位误差为1μm,滚转角定位误差为3.26″。SMR靶球法的定位误差最小、检测动态范围最大且检测光学元件的自由度最多,更适用于自由曲面的高精度位姿检测。