一种新型3-CRP移动并联机构的设计和运动分析

提出了一种新型三维移动并联机构,该机构由3条正交运动链3-CRP将动平台和定平台连接而成.利用螺旋理论对机构的自由度进行了分析和计算,研究了分别以圆柱副中的转动和线性移动作为主动输入的机构的运动学正逆解、奇异性和各向同性.当以转动输入为主驱动时,运动雅可比矩阵为3×3阶对角阵,故机构为无耦合并联机构;当以移动为主驱动时,雅可比矩阵为3×3阶单位阵,且其行列式的值为1,所以在整个工作空间内机构表现为无奇异完全各向同性.因此该机构具有良好的运动和力传递性能以及较强的实用价值.     

新型完全各项同性平面并联机构的运动学分析

提出一种新型3自由度平面并联机构,该机构由三条不同的分支运动链将动平台和静平台连接而成。并通过运动副合并,得到另外一种新型平面并联机构。基于单开链单元理论分析机构动平台的运动输出特性,推导出机构的位置和速度的运动学方程。由于速度雅可比矩阵为3×3阶单位阵,故机构主动副的输入速度与动平台的输出速度间存在一对一的映射关系,即动平台的一个输出运动只需要一个主动副控制。同时,由于雅可比矩阵的条件数恒等于1,所以机构在整个工作空间范围内表现为完全各向同性。     

一种无耦合移动并联机器人机构的结构设计与运动学分析

提出一种3自由度无耦合空间移动并联机器人机构,该机构由动平台、静平台以及连接两平台的3条具有相同结构的分支运动链组成。基于螺旋理论分析机构的运动输出特性,推导出机构位置、速度以及加速度的解析表达式;由于其雅可比矩阵为3×3阶对角阵,表明该机构的输入运动和输出运动呈一一对应的关系。利用Matlab和SolidWorks软件绘制出虚拟样机的位移、速度、加速度仿真曲线,验证了理论分析的正确性。最后,对机构的奇异性和工作空间进行了分析。     

含双驱动支链的2UPS-RPU并联机构雅可比矩阵

基于旋量理论和李群李代数方法,以4自由度2UPS-RPU并联机构为例,提出了含串联输入支链的并联机构正运动学雅可比矩阵的一种新的推导方法。首先利用指数积公式建立含串联输入支链的位置正解,得出动平台位姿矩阵,根据动平台位姿矩阵列出第2和第3支链对动平台的约束方程,通过对方程组两边微分,得出第1支链关节速度与主动关节速度的映射关系,然后代入第1支链正运动学速度关系式,得出并联机构的正运动学雅可比矩阵。最后,基于螺旋理论建立了并联机构逆运动学的完整雅可比矩阵。为机构的奇异性分析提供了理论基础。     

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。     

一种新型2-CPR/RRR平面移动并联机构 的设计与分析

为了解决并联机构因结构耦合产生的强运动耦合性等问题,设计了一种含有恰约束运动链的新型2-CPR/RRR平面移动并联机构。基于螺旋理论研究了机构的自由度和输出特性,利用机构的几何关系建立了其位置矢量方程,推导出了不同形式主动输入情况下机构的运动数学模型;使用了Admas和Matlab分别对机构进行了运动学仿真,验证了理论分析的正确性;最后给出了该机构的一种3D打印机应用实例。研究结果表明:当以圆柱副的角位移作为主动输入时,速度雅可比矩阵为对角阵,因此机构具有无耦合运动特性;当以圆柱副的线性位移作为主动输入时,速度雅可比矩阵为单位阵,故机构具有完全各向同性的运动学特性。     

一种新型4自由度并联机床构型设计与运动学分析

提出了一种能实现沿y轴、z轴移动和绕x轴、y轴转动的新型4自由度部分解耦并联机构,将该并联机构辅以能实现主轴x轴移动和x轴转动的动平台,共同组成一种新型并联机床构型;此机床机构特为涡轮叶片加工而设计。对机构进行了运动学分析,得到了运动学方程和雅可比矩阵;使用几何方法对机构的工作空间进行了分析,利用雅可比矩阵证明工作空间没有奇点,并获得了给定任务下的机构执行器所需行程长度。     

3-UPS/S并联机构运动学分析及机构优化设计

对3-UPS/S并联机构进行了运动学分析和静力学分析,得到了该机构的运动雅可比矩阵和静力学雅可比矩阵;采用离散的方法对该机构的工作空间进行了分析;对该机构进行了基于给定工作空间的尺寸参数优化,在优化的过程中考虑了机构的奇异性、关节约束和机构几何尺寸约束等条件.     

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。     

一类恒定雅可比矩阵移动并联机构的判定与综合

为得到雅可比矩阵恒定的移动并联机构,基于螺旋理论利用机构的主运动螺旋和传递力螺旋求解机构的雅可比矩阵,给出了移动并联机构在不同位置下雅可比矩阵保持恒定的判定条件。在此基础上,基于约束螺旋理论对具有该特性的分别包含三自由度、四自由度和五自由度分支的这类三自由度移动并联机构进行构型综合,构造并得到了多种雅可比矩阵恒定的移动并联机构。分析3-PPRU和3-CPU两种并联移动机构,由得到的机构在工作空间内不同位置下的输出速度、力变化曲线图可以看出在给定确定的输入情况下,机构的同一输出参数曲线在不同位置时相互重合,从而验证了该类型移动并联机构雅可比矩阵始终保持恒定。     

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。     

无耦合二自由度转动并联机构型综合方法研究

并联机构型综合是机构学和机器人领域的一个极具挑战性难题。为解决一般型综合方法得到的并联机构具有强运动学耦合性的问题,提出一种无耦合二自由度转动并联机构型综合的系统方法。基于驱动力螺旋理论建立无耦合转动并联机构的输入-输出运动间的数学模型;分析转动并联机构的运动输出特性与分支主动副通过运动链施加到动平台上的驱动力螺旋之间的内在关系;按照雅可比矩阵为对角阵的条件确定出分支驱动力螺旋和主动运动螺旋的形式,再根据驱动力螺旋与同一分支中除主动运动螺旋外的其他运动螺旋互易积恒等于零的特性确定出非主动运动螺旋;建立分支运动链型综合的准则,实现了具有预期自由度类型的并联机构型综合。运动学分析表明,所综合出的机构雅可比矩阵均为对角阵,机构的输入和输出运动之间呈现线性映射关系,验证了所提出的型综合方法的正确性。尤其是当第一条分支的主动运动螺旋为零节距螺旋时,在满足一定结构条件下雅可比矩阵为单位阵,机构在整个工作间内表现为完全各向同性。     

6-RRS超冗余驱动飞行模拟器的性能分析

提出一种以6-RRS超冗余驱动球面并联机构作为飞行模拟器的运动机构。该球面并联机构具有三个转动自由度,六个驱动,三个冗余驱动;两个完全相同的3-RRS球面并联机构构成6-RRS球面并联机构,该球面并联机构广义上仍然具有一个定平台,一个动平台,整个动平台即为飞行模式器座舱。该运动机构采用电气伺服系统驱动,从而克服了液压伺服系统的缺点;同时采用超冗余驱动达到大功率运动的目的。主要分析6-RRS超冗余驱动飞行模拟器的三项重要性能指标,利用螺旋理论给出该运动机构的雅可比矩阵,并以雅可比矩阵为核心分析该机构的灵巧度性能以及刚度性能和奇异性能。     

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。     

新型完全各向同性3T并联机构及其特性分析

针对并联机构耦合带来运动学分析与控制困难的问题,提出了一种新型完全各向同性的三维移动并联机构,该并联机构动平台和静平台之间由3条支链连接,3条支链的第一个移动副在空间中呈正交分布,使得该机构的动平台具有3个移动自由度,且输入输出一一对应。这种机构最突出的优点是运动副简单,三维移动解耦,运动学分析简单,便于该机构运动控制设计。采用螺旋理论分析了该机构的自由度及性质,确定了机构的主动副,给出了机构的位置和速度正反解,分析了机构工作空间及运动性能。根据机构输入输出关系,求得机构雅可比矩阵,验证了机构具有完全各向同性。研究结果对该机构的进一步应用具有理论指导意义。     

3-RRR球面并联机构优化设计研究

为了进一步提高3-RRR纯转动球面并联机构的运动灵巧性和有效工作空间的范围,需对机构的结构参数进行优化。首先根据机构的几何特性建立对应的数学模型;进而本着机构工作空间和运动灵巧性最大的原则,提出一种以机构雅可比矩阵条件数为优化对象的遗传算法,对机构中各运动副的角度、电机输入角度及其他结构参数进行优化,与传统结构参数优化方法相比,有效的将3-RRR球面并联机构的雅克比矩阵条件数控制在1.000008,使该机构的运动灵活性获得较大提高;最后根据优化结果搭建物理样机,其末端输出平台的工作空间图像近乎一个完整的球面。优化后的3-RRR并联机构显示出更强的工程实用性,具有更好的应用前景。     

对称4自由度3R1T并联机构雅可比分析

针对对称4自由度3RIT并联机构提出一种雅可比分析方法.首先运用位移群理论分析3RIT并联机构的自由度特性,得到动平台在空间的运动为四维位移流形,然后运用螺旋理论建立单个分支运动链的雅可比矩阵,该矩阵为6×5长方阵:再利用该类并联机构的自由度特性证明6×5的分支雅可比矩阵的第四行和第五行为冗余元素,删除其中之一则可把分支雅可比矩阵简化为5×5方阵,该方阵在机构非奇异位形下满秩.在选定并联机构的驱动副后,对每个分支简化后的5×5雅可比方阵求逆,再分别取出逆阵中对应于驱动副的行矢量构成一个4×5长方阵,由于该长方阵的第四列元素始终与0相乘为冗余信息,删除该列元素后得到一个4×4可逆方阵,对之求逆即得整个4自由度3RIT并联机构的雅可比矩阵.该方法简捷易行,可进一步应用于3R1T并联机构的性能分析和运动学设计.     

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。     

并联机构动力学性能评价指标的研究

利用向量范数和矩阵范数理论,导出了机构主动关节驱动力或力矩相对变化量与动平台速度加速度相对变化量之间的解析关系式,提出并联机构速度加速度性能的量化指标,并且它们在工作空间分别趋近于雅可比矩阵和惯量矩阵的奇异位形轨迹,以这两条奇异位形轨迹为边界确定机构工作空间,它们的公共部分可以作为机构动力学性能优良的工作空间。分析了主动关节的速度和加速度引起的耦合作用,提出评定主动关节之间耦合程度的度量指标,为机构的关节解耦控制提供了依据。结合实例,分析了机构速度加速度性能和主动关节之间的耦合性。     

新型3-(2UPU)并联机构的动刚度分析

针对工程输送装配生产线的实际应用需求,以三平度并联机构3-(2UPU)为研究对象,对机构进行运动学分析。利用坐标变换对该机构进行运动学逆解分析,推导出映射机构主动关节输入速度矢量和动平台输出速度矢量关系的雅可比矩阵。从动平台所受外力和发生位移的关系,建立了基于守恒协调转换的刚度模型,并给出了机构刚度的衡量指标。通过具体算例,绘制了机构在工作空间的刚度分布情况。结果表明,该机构具有良好的刚度性能,能够满足实际应用需求。