含冗余驱动支链4-UPS&UP并联机构的运动学性能分析

分析含冗余驱动支链4-UPSUP并联机构的运动学性能,该并联机构由著名的Tricept机器人并联模块3-UPSUP机构增加一条无约束驱动支链所得。因冗余驱动支链的引入,该并联机构比3-UPSUP机构拥有更高的承载能力和更好的静、动态性能。在建立4-UPSUP机构的位置逆解模型和7×6广义雅可比矩阵的基础上,得到驱动关节速度到动平台参考点线速度的4×3量纲一雅可比矩阵,并据该矩阵的条件数提出局部运动学性能评价指标。最后,在同尺度下对4-UPSUP和3-UPSUP并联机构的运动学性能进行了对比分析,得到前者运动学性能优于后者的结论。     

冗余驱动消除并联机构位形奇异原理

一般并联机构的雅可比矩阵都是方阵，而冗余驱动并联机构由于输入构件数大于输出构件自由度数，其雅可比矩阵具有非方阵的特殊性。传统的观点认为冗余驱动能够消除奇异，但是没有给出严格的数学意义上的证明和构造冗余驱动的具体方法。从可操作度的角度研究了冗余驱动并联机构的奇异性，最终给出了判别方法。用数学方法证明了冗余驱动可以消除奇异位形，并通过实例给出了具体的构造方法。     

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。     

三自由度冗余驱动并联机构的奇异性和工作空间分析

基于4-SPS/S三自由度冗余驱动并联机构的位置逆解模型,运用微分法推导出了该并联机构的雅可比矩阵,结合Gosselin奇异性分析法和数值分析法,分析了该并联机构的奇异性。随后分析了影响4-SPS/S三自由度冗余驱动并联机构工作空间的主要因素,并对其各支链的行程限制、各球铰副的转角限制和各支链间的尺寸干涉限制等影响因素进行了解析化分析。最后,基于4-SPS/S三自由度冗余驱动并联机构的位置正解模型,设计了该并联机构回转工作空间的求解算法。该算法避免了数值方法及几何方法的复杂性和不确定性,实现了回转工作空间的直观性表达。     

冗余并联机构奇异性与静力学分析

研究了一种6自由度可移动冗余并联机构的奇异性与静力学性能及其定姿态实时优化设计。建立该并联机构的静力学雅可比矩阵,分析了该并联机构的奇异性、静力学性能指标。调节并联机构定平台腿部位置,使并联机构的静力学传递性能得到提高。绘制了基于雅可比矩阵的性能图谱,直观地观察并联机构在不同位置的静力学力和力矩的传递性能。通过分析可知冗余并联机构具有可以消除奇异的优点,同时通过调节腿部位置也大大提高了并联机构的静力学传递性能。     

平面三自由度冗余并联机构的驱动奇异性分析

分析了PRPR-2PRR、PRR-2PRR和4-PRR等三种平面冗余并联机构的驱动奇异位形，通过与平面3-PRR非冗余并联机构的比较，研究了采用不同机构冗余类型消除并联机构奇异位形的方法及其特点，为冗余并联机构的尺度综合、路径规划和控制提供了依据。     

冗余驱动支链对3RPS并联机构刚度的改善

在考虑雅可比矩阵变化与动平台姿态偏移之间映射关系的基础上,基于螺旋理论和矢量微分法建立了3RPS并联机构末端位姿偏移与支链构件变形之间的映射模型。首先采用螺旋理论和矢量微分法分析了支链各构件刚度与整个支链刚度之间的关系,然后建立了3RPS并联机构的瞬时刚度模型,并分析了雅可比矩阵的变化对机构刚度的影响。对冗余驱动支链改善并联机构刚度的原理进行了分析,建立了冗余驱动并联机构的整机刚度模型。仿真分析和实验验证,冗余驱动支链确实能够改善并联机构的刚度。     

空间2自由度冗余驱动并联机构运动学性能分析

面向建筑机器人领域的高性能机械臂需求,提出了一种空间2旋转自由度的3-UPS&U冗余驱动并联机构。基于螺旋理论和修正的G-K公式对机构的整体自由度进行分析,确定了其围绕恰约束支链万向副旋转的运动特性。建立驱动参数与末端参数之间的映射关系,得到其工作空间模型。通过主驱动并联、从动约束串联的独立建模,构造了该并联机构完整的广义雅可比矩阵,进一步得到动平台末端中心点线速度与驱动关节速度之间的无量纲化雅可比矩阵,并据此建立了特定工作空间下机构的灵巧度、承载能力和刚度性能评价指标。最后结果表明,3-UPS&U冗余驱动并联机构进行较高频次上下摆动作业时,在约束支链所布置的对应转轴方向上,具有更佳的综合运动学性能,且能大大降低性能衰减的幅度。     

利用冗余支链驱动消减弹性并联机构振动

针对弹性并联机构的特点,提出加入冗余支链和冗余驱动的方法来消减弹性机构的振动。这种方法既保留了并联机构的驱动元件安装在固定位置的要求,避免奇异点,也能有效地减小末端执行器上的振动。文中介绍了冗余弹性并联机构的动力学分析方法,用简化的解法给出了仿真结果,说明了此种方法的有效性。     

3-PRC并联机器人机构运动和力传递性能分析

以3平移自由度3-PRC并联机器人机构为研究对象,建立了机构的运动方程;基于速度与力可操作椭球,建立运动与力各向同性评价指标,度量机构在操作空间给定位置处运动与力的传递性能;以速度和力方向可操作度为评价指标,度量机构在操作空间沿指定方向运动与力的传递能力.结果表明,3-PRC并联机器人机构在操作空间具有良好的运动与力的传递性能.     

平面二自由度冗余驱动并联机构动力学建模与驱动力优化

针对并联机构引入冗余驱动造成驱动力求解不唯一、可能引起内力对抗问题,对冗余驱动并联机构的动力学建模和驱动力优化进行了研究。首先,基于闭环矢量法得到了机构运动学关系;接着引入螺旋理论,采用与系统运动螺旋成线性关系的约束矩阵之正交补来消除约束力螺旋,扩展自然正交补(Natural Orthogonal Complement, NOC)方法到冗余驱动并联机构,建立了平面二自由度冗余驱动机构的动力学模型;此外,建立了机构的驱动力模型,并基于最小范数法进行了驱动力静不定问题的约束优化求解,进一步采用Householder矩阵应用QR分解提高求解效率,得到了物理意义明确、求解快速的驱动力优化方法;最后通过平面轨迹跟踪仿真,对提出的建模和驱动力优化方法进行了验证。研究结果表明：基于螺旋理论的自然正交补方法推导动力学模型具有系统高效、中间变量少等优点;采用最小范数法的QR分解法求解各驱动器驱动力矩物理意义明确,速度快。该建模和驱动力优化方法不仅适用于冗余驱动的平面机构,也适用于空间机构以及超冗余机构。     

平面2自由度冗余驱动并联机构最优控制

以平面2自由度冗余驱动并联机构为研究对象，推导了该对象的动力学模型，提出了基于该机构动力学模型的最优控制器，详细给出了最优控制器的设计过程。对机构在典型的PD控制器以及所提出的最优控制器下的点到点运动控制进行了仿真实验，同时以机构末端执行器的位王误差、速度误差为被控变量，对比分析了它们的控制精度。实验证明，最优控制能够进一步减小机构在运动中的位置误差和速度误差，提高机构运动精度，获得更好的位置、速度跟踪性能。     

冗余驱动的并联机器人性能分析

提出了带冗余驱动器的三腿并联机器人的两种结构，介绍了它们的性能特点，基于动力学方程分析了它们对于不同的优化目标和不同的约束条件的输入力最优化问题．结果表明，冗余驱动可显著提高机器人的力传递能力。     

具有冗余自由度的空间并联多环机构的运动分析

讨论了具有冗余自由度的并联空间多环机构的运动分析。这是步行机器人研究中遇到的一个十分复杂的机构学问题。以较简单且具典型性的一种机构为例,讨论了这类冗余并联空间机构求解的思路和方法。可以看到由于采用了影响系统原理,分析和推导过程层次清晰、公式简明,导出的结论公式又呈显式,便于计算机编程,应用十分方便。     

冗余驱动支链实现空间6自由度并联机构刚度设计理论

机构的末端刚度特性对制造装备的定位精度、顺应性和动态特性等有十分重要的影响,为了消除机构奇异位形,使机构具有更大的承载能力、更高的刚度和精度、更好的动态特性等,常需要可控的机构刚度来满足不同的需要;在全自由度并联机构的基础上,分析通过增加冗余驱动支链实现末端刚度需求的设计方法。根据螺旋理论分析了支链单驱动副并联机构的逆雅克比矩阵,建立了驱动刚度到末端刚度的映射关系矩阵,分析了各支链刚度到机构末端刚度分量的叠加规律,并根据末端刚度需求建立了一种通过增加冗余驱动支链实现末端刚度要求的方法;最后通过Stewart并联机构案例对上述理论进行了验证,实现了末端刚度接矩阵解耦的设计要求。     

冗余驱动Tricept并联机构的驱动优化

对冗余驱动3自由度Tricept并联机构的逆运动学和逆动力学进行分析,基于牛顿—欧拉法建立机构的逆动力学方程。针对冗余驱动方式下机构主动关节之间驱动力分配不唯一的特点,研究机构按预期轨迹运动时的驱动优化问题,提出最小化驱动器最大瞬时驱动功率和最大瞬时驱动力的优化方法。结合实例分析机构驱动力2范数优化、最小化最大驱动力优化和最小化最大驱动功率优化的效果,并与非冗余驱动方式进行对比。分析显示,冗余驱动能够较显著地降低驱动器的瞬时负载和瞬时输出功率,并可结合驱动力2范数优化、最小化最大驱动力以及最小化最大驱动功率的优化效果分析,选取适当的驱动方式以实现驱动器瞬时负载与瞬时输出功率的均衡与优化。     

2UPR&2RPS型冗余驱动并联机器人的运动学标定

运动学标定能够有效提高并联机器人的运动精度.以一类2UPR&2RPS型冗余驱动并联机器人为研究对象,提出了该类装置的运动学标定方法.通过将误差闭环矢量方程分别投影到运动支链的驱动方向和约束方向建立了该机器人的几何误差模型,并分离出可补偿误差源和不可补偿误差源.基于误差映射矩阵建立了误差灵敏度指标,随后通过灵敏度分析找出...     

一种冗余驱动并联机构的设计与奇异性分析

在Delta机构的基础上提出一种含冗余驱动的三平移并联机构。基于螺旋理论计算了该并联机构的自由度,分析了位置反解,推导出雅可比矩阵,结合Gosselin奇异分析法,对Delta机构的奇异位形进行分析并找出两种新的奇异位形。将Delta机构和冗余驱动并联机构的奇异性进行比较,为了验证理论分析结果,引入可操作度这一运动性能指标,基于数值法对两种机构的奇异性进行比较。理论分析结果表明冗余驱动并联机构可以实现和Delta机构相同的功能,但其第二类奇异位形明显比Delta机构少;数值分析结果表明选取合适的工作空间和机构参数可减少并联机构的奇异位形,同时也验证了理论分析结果的正确性。     

5-UPS/PRPU冗余驱动并联机构的内力分析与协调

基于全雅可比矩阵和伪逆法求解了5-UPS/PRPU冗余驱动并联机构的内力,并提出了一种基于冗余驱动变刚度的协调内力的方法。通过求解机构的变形协调方程,得到机构的全雅可比矩阵的加权广义逆,从而求得该5-UPS/PRPU冗余驱动并联机构的内力表达式,通过有限元软件验证了该方法的正确性。以相应的5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床为例,分析了冗余分支驱动刚度的变化对各个分支内力幅值的影响,进而提出了一种协调内力的方法。通过分析其内力随冗余分支刚度的变化分布情况可知,非冗余分支各个驱动螺旋以及冗余分支约束螺旋所对应的内力幅值可以通过在一定程度上增大冗余分支的驱动刚度来降低。该方法对机械结构设计人员以及控制系统搭建人员在提高系统精度、降低系统内力方面有重要的参考价值。     

新型3-DOF冗余并联机构运动学和工作空间分析

因具备更高刚度、更好动力学性能等特点,冗余驱动并联机构越来越多地应用于各行业中。提出一种支链为双滑块结构的3-DOF冗余并联机构,基于位置正、反解分别推导了机构的运动学方程,并结合反解方程和MATLAB对机构进行运动学仿真,绘制了驱动位移、速度曲线;结合运动学分析结果与正解方程对机构工作空间进行分析,绘制了机构三维工作空间;运动学、工作空间分析结果表明,机构在工作空间内运动平稳,无位移、速度突变等情况,且工作空间关于XOZ面具有良好的对称性;研究结果为该构型冗余并联机构的实际应用提供了基础。