基于构件关系拓扑图论的机构自由度和奇异分析

在分析机构图论现状的前提下,对机构中常用运动副、机构运动基本单元的移动基和转动基的空间活动能力进行描述定义,基于机构由构件通过关节连接而成的事实,提出一种新的构件关系拓扑图论描述方法.该方法以构件框、约束构件框、构件关系线、约束构件关系线、相邻构件空间相对活动能力关系为要素,对串联机构、并联机构、混联机构进行新的图论描述.基于支链空间活动能力维度和机构空间活动能力维度定义,以实例形式给出混联机构自由度的分析方法,并得到机构非奇异的充要条件,在此基础上推出机构出现奇异的充要条件,引入机构运动支链输入基位置极限的同时/同化、同时/非同化、独自出现位置极限的三分法,得到给定混联机构出现位置奇异、姿态奇异、位置和姿态奇异的情形数,并给出了一般形式的串联、并联、混联机构的奇异组合和情形数的分析途径.     

PPP-S[T]-PPP新型混联立方机构

基于传统的串联和并联机构构建新型6自由度混联立方机构,通过直线驱动实现输出主轴的三维移动和转动.对机构中常用运动副、机构运动基本单元的移动基和转动基的空间活动能力进行描述定义,基于机构由构件通过关节连接而成的事实,提出一种新的构件关系拓扑图论描述方法,该方法以构件框、约束构件框、构件关系线、约束构件关系线、相邻构件空间相对活动能力关系为要素,对串联机构、并联机构、混联机构进行新的图论描述.基于支链空间活动能力维度和机构空间活动能力维度定义,以实例形式给出混联机构自由度的分析方法,并得到机构非奇异的充要条件.采用解析几何的方法得到机构可达工作空间的形态为一规则的长方体,可达工作空间体积取决于机构平移运动副的运动极限,从而得到其影响因素.通过作图法对机构输出主轴在任意空间位姿的极限偏转角度进行分析,得知导轨长度等是影响其偏转的主要因素.     

基于S[T]输出基和P/R输入基的混联立方机构

基于传统的串联机构单一运动副输出基灵活性和并联机构多运动副输出基稳定性的优点提出一种新型混联S[T]输出基,该输出基的球铰组成构件贯穿连接虎克铰后,仍以球铰组成构件作为输出构件,可以实现空间三维转动.通过在新型混联S[T]输出基两端增加由3个移动副P或/和转动副R的串联支链,并将机构布局在一空间立方体上,得到具有三维空间转动活动能力的3自由度机构构型27种,得到具有三维空间转动和一维空间移动活动能力的3种组合情形下的4自由度机构构型27种,得到具有三维空间转动和二维空间移动活动能力的3种组合情形的5自由度机构构型9种,得到具有三维空间转动和三维空间移动活动能力的6自由度机构构型1种,S[T]输出基和P/R输入基与立方体框架相结合,得到3,4,5少自由度空间混联立方机构构型63种,6自由度空间混联立方机构构型1种,所有64种机构构型的输入驱动数目均满足移动副数目少于或等于6,转动副数目少于或等于6,且任意一种构型中移动副和转动副的总数和为6.基于S[T]输出基和P/R输入基构建的空间混联立方机构进行混联机床的研究具有一定的理论意义与实用价值.     

RGRR-Ι构造混联6R机器人

新型并联双自由度转动关节(RGRR-Ⅰ)活动构件少、工作空间大,利用RGRR-Ⅰ构造混联6R机器人可以实现高刚度、大工作空间、机构紧凑等。提出混联机构的求解新方法,即建立少自由度并联机构的运动坐标参数与机构运动输入参数之间的关系,把混联机构的求解转化为各少自由度并联机构的求解和运动坐标参数之间的串联求解,降低了求解难度,可以方便地推导出位置的正解和反解。此方法对其他混联机器人的运动学分析有借鉴作用。     

基于单开链单元的3T2R混联机器人构型综合

通过分析少自由度串联机器人机构和并联机器人机构的构型特点,基于运动螺旋线性无关的原理,以单开链少自由度串联机构为单元,提出了一种系统有效的混联机构构型综合的新方法和单并联、多并联混联机构的概念及表示方法。首先根据螺旋理论构造单开链3T2R五自由度串联机构,其次将并联机构视为一个复合运动单元构型到串联机构中,替代串联机构中运动基相同且连续的运动单元,从而获得3T2R五自由度混联机器人构型。最后通过运动螺旋的线性组合生成其他混联机构。     

基于单开链单元的3R2T混联机器人构型综合

通过分析少自由度串联机器人机构和并联机器人机构的构型特点,基于运动螺旋线性无关的原理,以单开链少自由度串联机构为单元,提出了一种系统有效的混联机器人构型综合的新方法和单并联、多并联混联机构的概念及表示方法。首先根据螺旋理论构造了单开链3R2T五自由度串联机构,其次将并联机构视为一个复合运动单元构型到串联机构中,替代串联机构中运动基相同且连续的若干运动单元,3R2T五自由度混联机器人构型,最后通过运动螺旋的线性组合来生成其它混联机构。     

混联机器人的分析与研究

串联机器人需在各关节上设置驱动装置,故各动臂的运动惯量较大,因而不宜实现高速或超高速操作。混联机构兼有并联机构刚度大和串联机构工作空间大的优点 混联机器人的研究关键是构造新型少自由度并联机构。新型并联双自由度转动关节（RGRR-1）可以实现运动解耦 其活动构件少,仅有3个活动构件 工作空间大,可以实现绕固定坐标系Z轴的摆动,幅度为-90°—90°,以及绕摆动轴X1轴的360°的转动 与串联双自由度转动关节相比,具有刚度好的优点。利用RGRR-1构造的混联机器人,具有刚度高、结构紧凑、工作空间大、制造容易等优点。     

基于螺旋理论的三移两转混联解耦机构型综合

针对3T2R混联解耦机构的构型综合问题,提出一种基于螺旋理论的混联解耦机构构型综合方法。首先基于运动基组合分配理论,给出3T2R五自由度混联机构所有可能的结构类型;然后基于螺旋理论和支链独立驱动原则提出完全解耦并联机构构型综合方法,运用该方法可以实现各类少自由度完全解耦并联机构的构型综合;再将综合的完全解耦并联单元构型到已有的混联构型中,得到解耦混联机构构型,并用该方法完成了3T2R类五自由度混联解耦机构构型综合;最后根据约束几何分析法分析了所综合的一种混联机构的瞬时特性,给出了运动学分析,推导了机构的雅可比矩阵,验证了机构的解耦特性。     

混联贴标机构运动学分析及工作空间研究

根据成捆圆钢端面贴标的工程应用场景提出一种新型3T2R混联机构,该机构由3-RRP~(4R)R并联机构和2自由度旋转串联机构串接而成。提出运用两次蒙特卡洛法相结合的办法求解混联机构工作空间。建立混联机构运动学模型,根据并联机构的几何关系得到反解方程,并确定并联机构工作空间的约束条件,采用蒙特卡洛法得到并联机构工作空间内的点集;根据坐标变换矩阵求得串联机构运动学正解及混联机构运动学正解,并将并联机构工作空间内的点坐标代入混联机构位置正解中,采用蒙特卡洛法得到混联机构的工作空间内的点集。     

运用RGRR-Ⅰ构造5RP混联机器人手臂的构型研究

传统的串联结构的关节式机器人手臂存在在刚度低的缺点。并联双自由度转动机构RGRR-Ⅰ刚度高,且有着工作空间/机构尺寸比大、活动构件少、制造容易等一系列优点。基于关节式机器人手臂的工作要求,运用并联双自由度转动机构RGRR-Ⅰ构造出实现绕XYZ三个直线运动坐标移动,两个运动轴坐标回转的混联五轴联动机器人手臂,并分析其工作机理,建立起有关模型。该研究也为其他混联机器人手臂的设计研究提供了借鉴。     

完全各向同性五自由度混联机构型综合

针对混联机构内部耦合性带来运动学分析困难的问题,基于G_F集理论提出了一种简单而有效的三移动两转动(3T2R)完全各向同性构型综合方法。介绍了G_F集的基本概念和运算法则。通过分析混联机构组成特点,提出了将并联、串联模块按照G_F集求和运算以及G_F集元素组合原则构造完全各向同性混联机构的方法,建立了混联机构数综合方程。同时给出了机构输入运动副选择原则和支链设计准则,确保了混联机构中各模块运动的解耦性。按照完全各向同性混联机构设计步骤,得到了构成完全各向同性3T2R混联机构各模块单元的组合形式。以其中一种组合形式为例,综合出了完全各向同性3T2R五自由度混联机构。基于约束螺旋理论,分析了所综合出的一种混联机构的自由度,通过ADAMS建模得以验证,通过对模型运动仿真,绘制出机构末端输出速度曲线,验证了完全各向同性构型综合方法的正确性。     

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。     

2(2-UPR+RPU)串并混联机构的位置和工作空间分析

针对目前快递行业所使用的并联机构运动空间较小、应用范围有限的问题,结合串联机构工作空间大、运动灵活等优点,基于2-UPR+RPU少自由度并联机构,提出一种2(2-UPR+RPU)串并联形式的混联机构,并对其进行位置逆解和工作空间分析,以期能够在工业生产中得以应用。首先,在SolidWorks中对该混联机构建模,利用螺旋理论进行分析,得到其自由度;接着,应用连续法求解机构的位置反解;最后,运用CAD变量几何法在SolidWorks进行运动模拟并得到加工点轨迹数据,借助Matlab软件求出其工作空间。2(2-UPR+RPU)混联机构的工作空间范围较之单层并联机构增大很多,形状规则,呈对称分布。2(2-UPR+RPU)混联机构同时兼有串联机构的灵活性和并联机构的高刚度和精度,通过相应的程序控制,可以代替人工工作。     

基于任务空间的 2P3RR 并联机构尺度综合

结合一种五坐标混联工作台的开发,对其少自由度并联机构部分进行了深入的研究。给出了该并联机构的运动学位置正、逆解,求解了雅可比矩阵,分析了工作空间,基于任务空间探讨了该并联机构主要结构参数之间的相互关系,采用雅可比矩阵条件数的倒数的全域均值作为该并联机构灵巧度评价指标,对其进行灵巧性分析,给出了混联工作台开发实例并进行了设计计算,为混联运动平台的设计开发奠定了理论基础。     

基于凯恩法的大摆角混联机床并联机构的动力学分析

针对一种大摆角混联机床的并联机构,首先对其机构构型进行了描述:然后以输入端和输出端的运动映射为基础,引入凯恩方法根据运动学分析原理来分析动力学问题,分别对输入和输出端运动构件进行动力学建模。假定机床各部件为刚性构件,不存在弹性力和摩擦力,通过综合从而建立并联机构系统的动力学方程,得到并联机构输出运动与所受驱动力的关系。最后,通过算例进行了仿真验证,得到了在给定输出运动时,动平台、滑块及各个驱动支链的驱动力曲线,对进一步分析大摆角混联机床的动态性能、机构优化设计和控制模型的建立等工程应用奠定了基础。     

基于特征约束关系的航天器大部件装配机器人机型设计方法及应用

面向狭长任务空间航天器大部件装配的定位调姿需求,提出一种装配机器人机型设计方法。该方法以大型构件装配对接过程中存在的主要特征为和空间约束为主要参考,结合空间自由曲面几何理论,总结装配过程中存在的多种典型特征,基于装配特征对应的数学描述,建立装配几何特征到机器人运动维度的映射关系;定义装配过程中轨迹规划涉及到的多种空间、位姿状态的表示方法,明确轨迹规划中的各类约束相互关系,确定机器人运动的边界范围。以典型作业环境空间站工作舱为例,研发基于PPRRPR构型的航天装配机器人。从机构构态和运动特征两个方面,结合串/并联机构的优势以及在对应约束空间下的行为特性,进一步提出基于机构行为特征的机器人优化设计方法,建立混联装配机器人的概念模型,为特定任务环境下装配及搬运大型装备的机构设计提供了一定的参考。     

基于球面五杆机构的变胞并联机构构型综合

提出一类基于球面五杆机构的变胞并联机构。基于具有解耦特性的球面五杆机构,应用螺旋理论综合出一类具有变胞特性的可重构混联支链,该混联支链由一个球面五杆机构和一个四自由度串联支链混联而成,应用三条相同的所述可重构混联支链构型出一类变胞并联机构。不同于现有利用约束奇异和支链奇异综合可重构并联机构的方法,提出利用球面五杆机构的解耦特性和关节锁死的方法来实现并联机构的可重构,因此该类变胞并联机构可有效避免重构过程中的约束奇异以及支链奇异。该类变胞并联机构可在一个广泛的范围内变换其工作模式和自由度,且伺服电动机均可安装在机构的固定平台。提到的方法可应用于其他基于解耦闭链的变胞并联机构构型综合。     

面向多向3D打印的混联机构及其运动分析

为解决多向3D打印装备瓶颈问题,提出一种完全解耦五自由度混联机构作为3D打印的执行机构,该机构由并联模块3-CPaRR和串联模块RRo组成,其中并联模块由3条相同CPaRR支链构成,可实现空间的三维移动,串联模块RRo用于调整打印头姿态,改善3D打印过程中的台阶现象、干涉问题。基于约束螺旋理论,分析了3CPaRR&RRo机构自由度,并通过ADAMS建模对其进行了验证。然后运用D-H法求得混联机构的运动学方程,对机构的位姿正解表达式求导,得到了机构的雅可比矩阵和末端速度方程,分析了机构在工作空间内的奇异性问题,通过对模型运动仿真,绘制出了机构末端输出速度曲线,验证了上述分析的正确性。     

平面3-DOF混联机构构型综合及其同构分析

通过应用Assur杆组法及图论理论对平面3-DOF全转动副机构进行了构件分类和构件组合,得到了一种最基本的3条支链对称的运动链结构。然后运用拓扑胚图插点法画出了其拓扑胚图,对其支链进行分类并插入拓扑胚图中,再进行同构分析得到了6种运动链构型。最后,运用一种新的基于构件关系的图论描述方法推导出了此机构的混联构型,并对其进行了应用研究。这些为以后非全转动副平面3-DOF机构的研究打下了基础。同时,通过研究平面3-DOF机构也更加有利于空间少自由度机构的研究。     

一种平面二自由度并联机构的运动学参数优化

针对混联运动机床开发中拟采用的一种新型二自由度平面运动并联机构的运动学解析部分进行了深入的研究。文中详细推导了该并联机构的运动学位置正、逆解求解公式和速度求解公式,同时给出了该机构的雅可比矩阵。通过求解可以看出该并联机构运动学正、逆解方程均具有显式表达式,能够从理论上描述并联机构各个运动参数之间的函数关系,易于实现实时控制。同时,为了能够指导该并联机构的设计,还给出了该机构的工作空间和奇异形位。最后运用一种全域综合评价指标基于任务空间对该并联机构进行了运动学参数优化,为其设计开发和实际应用奠定了基础。