支链末端特征的轴线迁移定理与应用

构型设计是机器人创新设计的重要阶段,考虑机构特性建立逻辑运算法则、从运动合成角度建立并联机器人构型设计方法,比较符合基于逻辑推理和形象思维、从无到有根据设计任务构造方案的设计需要。鉴于并联机器人的支链结构决定了末端转动特征的迁移能力,提出支链末端特征的实轴迁移定理和虚轴迁移定理。实轴迁移定理指支链末端的转动特征决定于支链中转动铰链的轴线位置,该转动特征沿移动特征方向具有迁移能力;虚轴迁移定理指支链末端的转动特征在与之垂直的末端移动特征平面上具有平行迁移能力,分6种不同情况采用虚设转动副法分别利用自由度分析加以证明。利用轴线迁移定理分析了两种新机构的末端转动特征。     

基于GF集的3T1R类并联机构构型研究

GF集是一种特殊的集合,用于对机构末端的运动特征进行描述.首先介绍GF集的基本概念和基于GF集的并联机构构型方法,而后提出了基于GF集的3T1R并联机构构型方法.根据该构型方法,得到可构成3T1R类并联机构的GF集的各种组成方式,并列举出具有确定运动特征的支链.最后,根据GF集的求交运算法则,构造了3T1R类并联机构.     

基于变胞铰链的并联机构结构设计与构型分析

为了拓展变胞机构的种类,提出了一种变胞运动单元,该变胞单元采用三个旋转关节,并且三个旋转关节可以通过位置调节形成等效球铰、虎克铰以及转动副。与传统的锁定运动副来实现变胞功能的变胞单元相比,此变胞单元三种构型的切换只需对轴线位置调整,无需额外增加关节锁死电机。通过研究由线矢量构成的螺旋系统的相关性,揭示了变胞运动单元构态变化的基本原理。提出了可用于构造新型变胞并联机构的支链构型设计方法,并基于螺旋的互易性分析了各支链构型所必须满足的几何约束条件。提出了两种变胞并联机构,通过不同的支链装配形式可将其从6自由度构型转换为3自由度构型,并对支链安装形式进行改进,构造出了具有3自由度平移模式和3自由度转动模式的并联机构。对变胞支链作为中心支链组装而成的并联机构的构型及对应的运动类型进行了分析,获得了六种不同构型的并联机构。     

1T2R3自由度并联机构拓扑结构综合

研究1T2R 3自由度UP和UPR-SPR型等效运动并联机构的拓扑结构综合方法。该方法借助虚拟链法综合思想,在分析UP和UPR-SPR虚拟链约束旋量系的基础上,以4、5自由度支链为机构分支运动链,揭示其运动副轴线需要满足的几何条件,由此得到多种含冗余驱动/过约束的新构型。在此基础上,提出采用在移动副两端配置若干转动副构造4、5自由度可重构支链来搭建各种1T2R 3自由度并联机构的可行方案。     

基于支链构造法的新型6-DOF并联机构构型设计

提出一种新型3支链6自由度机构构型设计方法。对于6自由度并联机构,支链对动平台没有自由度约束,只存在尺度约束。在每条支链中都加入一个球副,用以实现3转动自由度,其余运动副用以实现3移动自由度。以支链中移动副的数目为分类原则,得出了24种通用支链结构,在此基础上,对支链运动副轴线的位置进行特殊配置,得出了对应的新型支链结构。应用得出的支链结构,对其进行组合,设计出一系列6自由度并联机构,并且以简化运动学求解、扩大工作空间为目的,给出支链内部运动副轴线配置及支链空间拓扑位置的配置设计原则。对得出的新型3-RPPS机构进行运动学、尺度约束和工作空间分析,并建立与机构性能相关的尺度要素与构型综合的关系,验证了本方法的有效性。     

基于最优传递性能的2T2R并联机构型综合

为了综合得到具有最优传递性能和大姿态角的一类两移两转（2T2R）并联机构，结合螺旋理论和支链构造法，提出了一种并联机构型综合方法。以2-RPS机构作为基础支链，运用螺旋理论对新增支链的约束类型进行分类，给出了支链构造准则，确保并联机构自由度不变；结合机构运动和力传递特性，利用螺旋理论筛选出具有最优传递性能指标的机构支链，构型综合出具有最优传递性能的2T2R并联机构；最后，对一种新型2-RPS-UPS并联机构进行了运动学分析，借助Matlab求解出了机构工作空间。结果表明，新构型综合的并联机构具有最优传递性能和良好的姿态能力。     

无耦合完全各向同性1T1R并联机器人机构构型综合

基于螺旋理论对具有无耦合、完全各向同性特点的1T1R并联机构进行了构型综合,综合的并联机构采用支链独立驱动原则,即并联机构的输出运动是由独立的输入驱动提供的。首先根据期望1T1R并联机构的运动特征(沿Z轴的移动和绕Z轴的转动)和完全各向同性并联机构的正逆雅可比矩阵必为对角阵的要求,利用螺旋理论构造满足所期望形式的正逆雅可比矩阵;其次根据正逆雅可比矩阵所要满足的条件,确定支链驱动副作用于动平台上的使动螺旋,再得到该使动螺旋对应支链上的表示驱动副的驱动螺旋和除驱动螺旋之外的其他运动螺旋系,据此可完成支链结构螺旋系的配置;最后根据约束螺旋理论依次取出两条支链连接动平台和定平台得到并联机构。通过这种方法得到大量无耦合完全各向同性1T1R并联机构。最后对综合出的一种并联机构进行了运动学分析,验证了构型方法的正确性。     

基于G_F集理论的三转动四支链并联机构构型综合

针对并联机构位置正解复杂的问题,基于G_F集理论提出了一种具有三转动运动特征的四支链并联机构构型方法,此类并联机构通过一条支链确定动平台的位置;通过另外三条支链确定动平台姿态。介绍了G_F集的基本概念和运算法则,建立了并联机构数综合方程。根据各支链的末端特征进行支链设计,根据G_F集运算法则得到并联机构G_F集的各种组合方式。在所有并联机构组合中选取RRPS/3-SPS并联机构为研究对象,对其进行运动学分析,通过对机构进行位置正反解的分析发现,此类并联机位置分析的正反解都很容易,解决了并联机构位置正解难的问题,为以后的运动学分析提供了很大的便捷。     

转动轴线共面型3-RPS并联机构运动特性分析

通过对刚体运动螺旋和约束反螺旋的研究,给出了利用约束反螺旋求解运动支链或机构末端运动特性的分析方法,这种方法具有通用性。利用这种方法分析了RPS运动支链在运动副所有不同布置方式下的末端运动特性,求解了具有不同运动支链布置形式的三种转动副轴线共面型3-RPS并联机构的末端运动特性。说明了3-RPS并联机构并非一般认为的两个转动自由度和一个移动自由度,支链中运动副的相对位置不同或者支链的布置方式不同,则机构末端运动特性也不同。     

驱动支链完全解耦的可重构踝关节康复并联机构型综合

基于术后6～12周内的前、中、后期踝关节扭伤的康复运动需求,提出具有三种康复运动模式的可重构踝关节康复并联机构。首先,针对胫距关节和距下关节的轴线运动特征,研究踝关节康复运动切换机理和“双心”特性,提出符合踝关节自由度和轴线运动特性的六种融合支链;根据构型约束支链的选取方案,筛选出四种无约束支链。其次,基于旋量理论对六种融合支链进行过约束设计,验证符合实际需求的融合支链;根据传递力旋量与动平台运动轴线关系,提出一种驱动支链完全解耦优化方法,得到三种无约束驱动支链以及十二种机构构型,使得机构在三种康复模式中实现完全解耦。最后,通过ADAMS仿真验证机构的三种运动分支及完全解耦的正确性。可重构踝关节康复机器人依据患者康复需求采取对应康复模式,适用范围广,针对性强,控制简单。     

基于螺旋理论的转动解耦调平机构型综合

芯片与基板之间的平行度调节机构对倒装键合设备的成品率起着决定性作用。为研制该调平机构,基于螺旋理论分析了二自由度转动解耦机构的实现条件,综合出了一类含有3支链的转动解耦的并联机构。该类机构的支链1不含驱动副,由2个转动副组成;支链2和支链3各有1个驱动副,分别驱动动平台绕支链1中的一根转动副轴线旋转。针对其中一种只含转动副和移动副的构型进行了自由度验算,选择了合适的输入运动副,并利用ADAMS完成了该机构的运动学仿真。研究结果表明,该转动解耦的调平机构可应用于倒装键合设备、精密运动平台等多种场合。     

基于构型演变和李群理论的2T2R型四自由度并联机构型综合

基于构型演变和李群理论提出一类2T2R型四自由度并联机构型综合的系统方法。将6R平面机构某构件两端的R副替换为U副,并添加2条具有六自由度的支链SPS,演变成一个空间并联机构2RRU-2SPS;运用李群理论,综合出等效支链,构造一类2T2R型四自由度并联机构。对一种新型2RPU-2SPS机构,运用单开链法进行自由度的计算和主动副的选取,结果表明所提出的型综合方法正确可行。     

五自由度并联机床机构构型分析

针对目前的并联机构构型方法在构造一些五自由度并联机构的时候出现的问题,提出了运动矢量的概念,在此基础上提出一种新的构型方法.并使用该方法为五自由度并联机床构造了并联机构.在构造支链的时候,提出了"奇异机构"概念,并用它构造了一个复合运动副.实践证明,上述方法是有效且简洁方便的.     

三转一移解耦并联机构型综合

通过分析解耦并联机构的输入输出特点,基于支链独立驱动原则和螺旋理论提出了三转一移(3R1T)解耦并联机构构型综合方法。首先,基于解耦并联机构的雅可比矩阵为非零对角阵的要求,利用螺旋理论构造出满足期望要求的正逆雅可比矩阵,以确定支链驱动副作用于动平台上的使动螺旋,再得到该使动螺旋对应支链上的表示驱动副的驱动螺旋和除驱动螺旋之外的其他运动螺旋系,根据支链连接度的不同,可完成支链结构螺旋系的配置;最后根据解耦并联机构分支组合原则,依次选取四条支链连接动平台和定平台,得到3R1T解耦并联机构。综合的解耦并联机构的输出运动是由支链上独立的输入驱动提供的,属于解耦并联机构,此类机构结构紧凑,控制简单,具有一定的应用前景。     

动/静平台非一致型并联机构构型分析及设计方法

针对动/静平台非一致型并联机构的设计需求,提出一种基于尺度综合的机构构型设计方法。根据拓扑结构设计理论对目标自由度并联机构支链进行构造;确定平台联结铰点的数量及类型,对机构进行初步设计及动平台自由度校核;以一种五自由度动/静平台非一致型并联机构为例,运用一次尺度综合对机构尺寸参数进行一次改进,建立机构初步模型;定义冗余支链和角部支链,通过二次尺度综合对冗余支链位置进行二次改进,完成机构所有尺寸参数的计算,给出机构的整体模型;与相似尺寸下、相近工作空间内Stewart机构的局部传递指标图谱进行对比分析,该机构具有良好的运动/力传递性能,验证了所提出的并联机构构型设计方法的正确性和可行性。     

基于螺旋线矢力的一类三自由度对称并联机器人结构研究

针对二转动一平动(2R1T)三自由度并联机器人,基于螺旋理论,提出了可能的支链方案.分析了支链只存在单约束线矢力的情形,利用互易螺旋,得到支链运动副组合及其相应的设计原则.由于空间线矢力对转动与平动自由度都有影响,讨论了此类并联机器人自由度与约束线矢力空间分布之间的关系.综合支链运动副设计原则与机构设计所需线矢力空间分布,可得到符合实际应用的具有2R1T运动特征的并联机器人.通过对3-RPS三自由度并联机构的分析,具体说明了空间线矢力与并联机构自由度之间的相互影响.同时,此种机构综合方法也适用于其它少自由度并联机构构型的综合与优化设计.     

两移动三转动混联机构型综合

基于GF集理论提出一种系统有效的串联、并联混联机构型综合方法。首先介绍GF集的基本概念、运算法则,以及转动特征存在条件。然后通过分析混联机构结构的组成特点,基于GF集元素组合和转动轴线迁移定理,提出了设计混联机构型综合方法,根据机构的拓扑结构和结构参数之间的关系,建立了混联机构数综合方程,给出了混联机构型综合的具体步骤。之后根据混联机构型综合理论,完成了具有2T3R混联机构运动特征的构型设计,得到了大量新构型。最后,针对综合出的一种2T3R混联机构,通过混联机构末端分析方法,验证了所设计出混联机构的运动特征,从而证明了构型综合方法的正确性。     

基于螺旋理论的3T1R完全解耦并联机构型综合

利用螺旋理论和独立驱动原则对3T1R类完全解耦并联机构进行型综合。首先根据期望3T1R完全解耦并联机构的运动特征(沿X、Y、Z轴方向的移动和绕Z轴方向的转动)和完全解耦并联机构的正逆雅可比矩阵必为对角阵的要求,利用螺旋理论来构造满足所期望形式的正逆雅可比矩阵;然后根据正逆雅可比矩阵所要满足的条件,确定支链驱动副作用于动平台上的使动螺旋,再得到该使动螺旋对应支链上的表示驱动副的驱动螺旋和除驱动螺旋之外的其他运动螺旋系,根据支链连接度的不同,可以配置支链的所有可能构型;最后根据并联机构运动原理依次取出四条支链连接动平台和定平台得到3T1R完全解耦并联机构。综合的并联机构的输出运动是由支链上独立的输入驱动提供的,且机构的正逆雅可比矩阵在运动过程中始终保持为对角阵,所以属于完全解耦并联机构,此类机构控制简单,具有一定的应用前景。     

六自由度完全解耦并联机构型综合

通过分析解耦并联机构的输入输出特点,基于支链独立驱动原理和螺旋理论提出了6自由度(3R3T)完全解耦并联机构构型综合方法。首先,基于完全解耦并联机构的雅可比矩阵为非零对角阵的要求,利用螺旋理论构造出满足期望要求的正逆雅可比矩阵,以确定支链驱动副作用于动平台上的使动螺旋;再得到该使动螺旋对应支链上的表示驱动副的驱动螺旋和除驱动螺旋之外的其他运动螺旋系,据此可完成支链结构螺旋系的配置;最后,根据完全解耦并联机构分支组合原理,依次选取6条支链连接动定平台,得到多种3R3T完全解耦并联机构。综合的完全解耦并联机构的输出运动是由支链上独立的输入驱动提供的,且机构的正逆雅可比矩阵在运动过程中始终保持为对角阵,所以属于完全解耦并联机构,此类机构结构紧凑,控制简单,具有较好的应用前景。     

基于分形理论的2T2R混联机构型综合

为综合得到具有两移两转运动特征的混联机构,基于分形理论和机构拓扑图,提出一种系统的混联机构型综合与分析方法。介绍了机构拓扑图和分形理论的概念及关系;叙述了机构的运动特征和运算法则,运动特征包括路径、支链和运动副的定义与表达形式,运算法则含有路径法则串并联计算规则;建立了混联机构与分形的关系模型,归纳出混联机构构型综合的具体步骤,并综合出具有两转两移运动特征的混联机构。提出混联机构运动特征的分析方法,并用该方法分析了所综合出的两转两移混联机构的末端运动特征,验证了该构型的正确性,证实了所述方法的可行性。