Optimize design of a hand controller with force sense feedback in considering force transmistion performance

对机构力传递性能进行研究,并提出力传递能力概念.建立一种综合机构工作空间、运动学性能和力传递性能的多目标优化函数,并应用于一种三平动自由度的手控器机构优化设计.对机构优化结果进行工作空间、机构雅可比条件数和力传递性能分析,确定基本结构参数和动力驱动参数,进一步完成样机制作.优化和研制过程为高性能手控器的研制提供了参考.     

三自由度拟人并联机构的尺度参数优化研究

为提升并联机构的运动学与静力学综合性能,提出了一种基于空间模型技术的并联机构多目标尺度参数优化方法。首先,根据人机工程学设计了一种2-PUS/RS三自由度并联机构,并基于螺旋理论分析了机构2种类型支链的自由度,计算了并联机构的自由度;采用欧拉角描述了动平台姿态,推导了机构的位置反解;在肘、腕关节的转动副和驱动器约束条件下,利用搜索法得到了机构的工作空间;然后,定义了角速度传递、角速度各向同性性能评价指标,绘制了评价指标在工作空间中的等高线分布图;最后,利用空间模型技术无量纲化尺度参数,绘制了各项全域性能图谱,并采用加权求和法对其进行了多目标参数优化,得到了机构的最优结构参数。研究结果表明:优化后机构的各项指标大幅提升,全域角速度传递性能、力矩传递性能和各向同性性能分别提高了16%、80%、40%,验证了该尺度参数优化方法的有效性。     

基于运动学、刚度和动力学性能的并联机构有序递进三级优化设计及其应用

提出一种基于运动学、刚度和动力学性能的并联机构有序递进三级优化策略,即分别应用遗传算法（GA）、粒子群算法（PSO）、差分进化算法（DE）三种智能算法,以工作空间性能和运动/力传递性能为目标的尺度参数优化方法,又在优化尺度参数基础上,以机构承载刚度和整体刚度为目标进行构件截面参数优化,再在优化尺度参数和截面参数基础上,以动力学灵巧度和能量传递效率为目标进行构件质量参数优化,从而使得机构的尺度、截面及质量参数达到最优。以一种零耦合度三平移一转动（SCARA）并联操作手为例,运用矢量法建立了并联操作手的运动学模型,通过工作空间性能和运动/力传递性能两个运动学指标,优化其尺度参数;运用虚拟弹簧法得到该并联操作手的刚度模型,通过对三维模型的参数识别得到其柔度矩阵,并分析了承载刚度、整体刚度两个刚度性能指标,优化了构件的截面参数;利用动力学普遍方程导出了该并联操作手的动力学模型,通过动力学灵巧度和能量传递效率两个动力学性能指标,优化了构件的质量参数。最终,该并联操作手的运动学、刚度和动力学综合性能达到最优,也得到了一些尺度、截面及质量参数的设计准则。     

对称超冗余驱动6RPS并联机构运动性能分析与优化

提出了一种全对称两转一移三自由度超冗余驱动6RPS并联机构,采用螺旋理论对该机构自由度进行了分析,建立了机构运动学反解并进行了仿真验证,结合局域指标与全域指标分析了机构运动/力传递性能,采用性能图谱与无量纲化结构参数对机构传递性能进行了优化,获取了机构6RPS的最优结构尺度与最优传递性能分布,研究了最优结构尺度下机构的全部优质姿态空间,并采用雅可比矩阵与运动/力传递性能分析了机构的运动奇异性。研究成果对于两转一移类并联机构研究与应用,提供了一定的理论基础。     

一种新型非对称五自由度混联机器人的尺度综合

提出一种新型非对称五自由度混联机器人,由三自由度1T2R位置型并联机构和二自由度A/C转头串接组成。为保证机器人具有近似面对称的性能,围绕其中的并联机构开展尺度综合研究。通过定义并联机构的参考位形,提出一种凝练独立尺度参数的方法,并定义出可评价工作空间、运动/力传递特性及其面对称程度的运动学性能指标。在此基础上,将机构尺度综合问题归结为一类有约束多目标优化问题,并采用范数理想点法,得到一组可使机构兼具优良的运动/力传递特性及大作业空间/机构占地比的尺度参数,同时运动/力传递特性在全域内具有近似面对称乃至轴对称分布。在相同尺度参数下与Exechon和TriMule机器人的对比分析表明,该机器人具有与二者近似的全域运动学性能。     

2自由度高速高精度并联机器人的运动学优化设计

提出一种基于工作空间综合和灵巧度、速度和几何精度等性能指标分析的2自由度并联机器人运动学优化设计方法,构造一种由灵巧度、运动速度和运动分辨率等变量组合而成的工作空间全局评价指标。优化过程分为两步进行：首先以灵巧度、力传递特性和避免奇异位形的几何条件为约束,综合出具有良好特性的工作空间,在此基础上研究不同杆长比下实现目标工作空间所需的尺度参数;然后根据全局运动学性能评价指标从第一步的优化结果中遴选出最合适的杆长比,从而实现了对机构的几何尺度参数优化。并给出了算例以说明方法的有效性。     

2RUPaR-2RRU并联机构性能分析与尺度优化

提出了一种新型面对称两移动两转动2RUPaR-2RRU并联机构,应用旋量理论分析其自由度,并确定了其运动特性。该机构可作为振动筛的本体结构。建立机构位置分析模型,得到位置逆解解析表达式;应用矢量法分析机构速度,得到输入、输出Jacobian矩阵,并据此分析了机构奇异位形;应用输入、输出传递指标评价机构运动和力传递性能,给出有效传递姿态工作空间和有效传递位置工作空间（Effective transmission positional workspace,ETPW）的定义和数值计算方法。以ETPW最大为目标,建立机构尺度参数约束优化模型,并应用差分进化算法求解该问题;给出了机构尺度优化设计实例。结果表明,模型和算法可行有效,优化后的机构ETPW明显增大。     

新型超冗余驱动混联机器人设计分析与性能优化

提出了一种新型五自由度超冗余驱动混联加工机器人,并对该机器人的关键结构进行了设计分析与性能优化。基于螺旋理论对该机器人自由度进行了分析,研究了机器人的拓扑构型特征并进行了结构设计,结合局域指标与全域指标分析了机器人运动/力传递性能,基于性能图谱与无量纲化结构参数对机器人传递性能进行了优化,获取了机构的最优结构尺度与最优传递性能分布,研究了最优结构尺度下机器人的全部优质姿态空间,并考虑关节运动限制与机构运动干涉条件,分析了机构的姿态空间。研究成果对于五轴混联机器人的研究与应用,具有重要的借鉴意义。     

一种可用于微创手术的并联机构运动学分析与性能优化

与串联机构相比,并联机构具有刚度好,精度高,响应快等优点,适合用于医疗领域。微创穿刺活检等手术要求机器人机构能够输出远中心运动。提出了一种用于微创手术的新型远中心并联机构,其分支内部包含平行四边形闭环子链。采用螺旋理论对机构自由度进行了分析,证明其能输出两个转动运动和一个移动运动,且所有运动均通过远端固定中心。对机构进行位置分析,建立了驱动参数与末端参数之间的映射。通过速度分析建立了雅可比矩阵,并分析得到了机构的奇异位形,包括逆解奇异、正解奇异和混合奇异。应用搜索法分析了机构的工作空间。采用运动/力传递指标对机构进行了性能分析,绘制工作空间内的性能图谱。以优质空间大小为目标对机构进行了尺度优化。     

一种3T1R并联操作手的运动性能分析、样机研制和参数优化

对作者团队最新研制的一种三平移一转动并联操作手2-RPaRSS进行运动性能分析、轨迹规划、样机调试和结构参数优化。首先,基于序单开链(SOC)运动学建模原理,采用D-H参数法对该机构的位置正、反解进行求解,并进行了算例验证;接着,分析该操作手的工作空间,得出其Z向定姿态最佳工作平面和动平台的转动能力;然后,对该操作手进行轨迹规划,并采用TwinCAT控制软件对研制的样机进行了调试;最后,优化了其结构参数,优化后的机构工作空间增加19.675%。研究结果为该操作手的运动控制、动力学研究和实际应用奠定了基础。     

Anisotropic force ellipsoid based multi-axis motion optimization of machine tools

The existing research of the motion optimization of multi-axis machine tools is mainly based on geometric and kinematic constraints, which aim at obtaining minimum-time trajectories and finding obstacle-free paths. In motion optimization, the stiffness characteristics of the whole machining system, including machine tool and cutter, are not considered. The paper presents a new method to establish a general stiffness model of multi-axis machining system. An analytical stiffness model is established by Jacobi and point transformation matrix method. Based on the stiffness model, feed-direction stiffness index is calculated by the intersection of force ellipsoid and the cutting feed direction at the cutter tip. The stiffness index can help analyze the stiffness performance of the whole machining system in the available workspace. Based on the analysis of the stiffness performance, multi-axis motion optimization along tool paths is accomplished by mixed programming using Matlab and Visual C++. The effectiveness of the motion optimization method is verified by the experimental research about the machining performance of a 7-axis 5-linkage machine tool. The proposed research showed that machining stability and production efficiency can be improved by multi-axis motion optimization based on the anisotropic force ellipsoid of the whole machining system.     

Optimal design of a main driving mechanism for servo punch press based on performance atlases

The servomotor drive turret punch press is attracting more attentions and being developed more intensively due to the advantages of high speed,high accuracy,high flexibility,high productivity,low noise,cleaning and energy saving.To effectively improve the performance and lower the cost,it is necessary to develop new mechanisms and establish corresponding optimal design method with uniform performance indices.A new patented main driving mechanism and a new optimal design method are proposed.In the optimal design,the performance indices,i.e.,the local motion/force transmission indices ITI,OTI,good transmission workspace good transmission workspace(GTW) and the global transmission indices GTIs are defined.The non-dimensional normalization method is used to get all feasible solutions in dimensional synthesis.Thereafter,the performance atlases,which can present all possible design solutions,are depicted.As a result,the feasible solution of the mechanism with good motion/force transmission performance is obtained.And the solution can be flexibly adjusted by designer according to the practical design requirements.The proposed mechanism is original,and the presented design method provides a feasible solution to the optimal design of the main driving mechanism for servo punch press.     

双臂机器人机构速度和力方向可操作度研究

在机构速度、力可操作椭球基础上，定义了双臂机器人机构速度和力方向可操作度，以方向可操作度为目标函数，给出了机构最佳传速、最佳传力方向和最佳操作位形的优化方法，结果显示双臂机构的传力性能优于单臂机构。     

Parameters optimization of a novel 5-DOF gasbag polishing machine tool

The research on the parameters optimization for gasbag polishing machine tools, mainly aims at a better kinematics performance and a design scheme. Serial structural arm is mostly employed in gasbag polishing machine tools at present, but it is disadvantaged by its complexity, big inertia, and so on. In the multi-objective parameters optimization, it is very difficult to select good parameters to achieve excellent performance of the mechanism. In this paper, a statistics parameters optimization method based on index atlases is presented for a novel 5-DOF gasbag polishing machine tool. In the position analyses, the structure and workspace for a novel 5-DOF gasbag polishing machine tool is developed, where the gasbag polishing machine tool is advantaged by its simple structure, lower inertia and bigger workspace. In the kinematics analyses, several kinematics performance evaluation indices of the machine tool are proposed and discussed, and the global kinematics performance evaluation atlases are given. In the parameters optimization process, considering the assembly technique, a design scheme of the 5-DOF gasbag polishing machine tool is given to own better kinematics performance based on the proposed statistics parameters optimization method, and the global linear isotropic performance index is 0.5, the global rotational isotropic performance index is 0.5, the global linear velocity transmission performance index is 1.012 3 m/s in the case of unit input matrix, the global rotational velocity transmission performance index is 0.102 7 rad/s in the case of unit input matrix, and the workspace volume is 1. The proposed research provides the basis for applications of the novel 5-DOF gasbag polishing machine tool, which can be applied to the modern industrial fields requiring machines with lower inertia, better kinematics transmission performance and better technological efficiency.     

基于含有冗余支链3-RPS/3-SPS并联机构的波浪能转换装置优化设计

提出了一种含有冗余支链的3-RPS/3-SPS并联机构,基于该机构设计了一种新型的海浪发电装置。对波浪中发电装置的浮子进行运动学建模,得到耦合运动方程并采用切片理论方法确定了方程中的水动力系数。通过分析浮子能量采集效率与浮子尺寸的关系,确定浮子直径为6 m时波浪能采集效率较高。建立了3-RPS/3-SPS机构支链与末端的速度映射关系,通过对液压缸的受力分析,推导出液压缸等效黏性阻尼系数,进而建立了修正的浮子运动方程,该方法同样适用于其他采用并联机构的海浪发电装置。定义了波能装置的有效工作空间评价指标、全域运动学性能评价指标及输出功率指标,绘制了各项指标在结构参数上的分布情况,基于性能评价指标对波能装置进行多目标结构参数优选,确定了一组综合性能较优的几何参数。优选结果表明：波能装置中机构几何参数R=5 m,r=2 m时,工作空间体积、运动学性能及输出功率等性能均有不同程度提升。该研究为海浪发电装置的设计和应用提供了理论基础。     

仿袋鼠跳跃机器人运动和力传递性能研究

在仿袋鼠机器人机构模型的基础上,建立了跳跃过程着地阶段的运动学方程;通过关节空间与操作空间速度的变换关系,定义仿袋鼠机器人跳跃运动速度和力方向可操作度;以速度和力方向可操作度为性能指标,度量仿袋鼠跳跃机器人在操作空间中的运动和力传递性能,解释了袋鼠起跳瞬间小腿与地面垂直是为了保证有足够的运动和力传递的灵活性。     

并联机构六维控制器的运动学性能分析及尺度优化

针对一种含子闭环3-5RUU并联机构的六维控制器进行运动学性能分析和尺度参数优化。首先用附加传感器的方法计算3-5RUU并联机构运动学正解,并求得了唯一解;其次建立了运动学逆解模型,根据运动学逆解,建立了工作空间的约束条件,通过MATLAB编程对机构进行了定姿态的工作空间分析;然后采用单一变量分析法得到了并联机构尺度参数与定姿态工作空间的关系;最后以工作空间最大为优化目标,利用遗传算法优化了机构杆长参数,使六维控制器的有效工作空间更大。结果表明:六维控制器的工作空间提高到原来的3倍以上。     

基于方向可操作度的机器人灵巧手抓持优化研究

以三指灵巧手的速度可操作性椭球和力可操作性椭球研究为基础,定义了机构的速度方向可操作度和力方向可操作度。在给定灵巧手操作位姿的条件下,以方向可操作度为目标函数,给出了灵巧手最佳传速方向和传力方向的优化方法。最后,以三指灵巧手为算例进行演示,得出了灵巧手在给定位姿下的最佳传速方向和传力方向,为灵巧手的抓持规划提供了值得借鉴的方法。