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。     

空间2T1R型并联机器人机构的设计与运动学分析

提出一种新型3自由度空间并联机器人机构,该机构由动平台、定平台和联接两平台的3条结构不同的分支运动链组成,机构动平台具有二维移动一维转动(2T1R)自由度。通过将动平台退化为末端操作器和机构3条分支运动链排列次序的调整,演化出另外两种新型2T1R并联机器人机构,且演化后的机构末端操作器具有更高的转动性能,能实现360°回转。基于螺旋理论对所提出机构的自由度进行了分析和计算,推导出机构的运动学解析解,包括位置、速度和加速度。由于机构雅可比矩阵为单位阵,且其条件数恒等于1,故此类并联机器人为完全各向同性机构。     

绳牵引并联机构奇异性分析及无奇异机构设计

绳牵引并联机构是将驱动器的运动和力以绳为介质并行转换成动平台的运动和力的装置,其末端执行器的自由度数可定义为机构的结构矩阵的所有旋量正张成的实数空间的维数。指出绳牵引并联机构仅有过运动性的奇异类型,阐明该奇异是一种由于位姿几何的特殊导致动平台的力旋量集合的维数降秩的现象;以一个1R2T机构为例指出了机构的奇异性除了会导致机构失去控制,还会导致绳优化拉力分布的不连续性:以1-2-1型的1R2T 机构为例研究动平台的重力会对机构的奇异性所造成的影响,从而发现即便动平台重力无法消除机构的奇异点, 但却能使各根绳的拉力分布重新得以配置。提出用各个转动自由度相互解耦,而平动运动能得到完全控制的机构是无奇异的这个原理来构造无奇异性的1-2-1型的CRPM(1R2T)、2-3-2型的RRPM-7(2R3T)的方法;提出用对心抓取定理构造无奇异性的2-2型的CRPMs(1R2T)和3-3型的CRPM(2R3T)的方法;提出用3维力封闭抓取定理构造无奇异性的3-3-3型的RRPM-9(3R3T)的方法。     

一种可整周回转的新型3T1R并联机构运动学分析

具有3移动1转动(3T1R)4自由度并联机构在工业领域具有广泛的应用潜力。然而绝大多数现有的3T1R并联机构的动平台转动范围小于90°。提出一种具有整周回转能力的3T1R并联机构。该机构动、静平台通过两根相同的混联分支(PRR)_2RH相连接。通过两个共轴、反向的等螺距螺旋副来实现动平台的整周回转能力。运用李群理论分析了机构的自由度。建立闭环约束方程对机构进行了位置正、反解计算。通过速度分析建立了雅可比矩阵,并在此基础上对机构进行了奇异分析,找到了所有的奇异位形。分析了机构的工作空间,以条件数作为性能指标,绘制了机构在工作空间内的性能分布图。研究结果为该机构后续的优化设计、动力学建模提供了理论基础。     

全解耦3-■PaRR三维平移正交并联机构

提出了一种新型全解耦3-■PaRR三维平移正交并联机器人机构,该机构由3条正交支链SOC{■∥Pa∥R∥R-}将动平台和定平台连接而成。应用螺旋理论分析了机构的运动性质、自由度及输入选取合理性。机构的运动学分析结果表明,其Jacobian矩阵为3×3阶单位阵,且行列式值为1,因此在整个工作空间内机构表现为无奇异且完全各向同性。故该机构具有良好的运动与力传递性能。     

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。     

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.     

全解耦3-(P)PaRR三维平移正交并联机构

提出了一种新型全解耦3-(P)PaRR三维平移正交并联机器人机构,该机构由3条正交支链SOC{-(P)∥Pa∥R∥R-}将动平台和定平台连接而成.应用螺旋理论分析了机构的运动性质、自由度及输入选取合理性.机构的运动学分析结果表明,其Jacobian矩阵为3×3阶单位阵,且行列式值为1,因此在整个工作空间内机构表现为无奇异且完全各向同性.故该机构具有良好的运动与力传递性能.     

绳牵引并联机构的自由度和奇异性

绳牵引并联机构是将若干驱动器的运动和力以绳为介质，转换成末端执行器的运动和力的封闭机械装置。可控性是绳牵引并联机构的主要问题，在其基础上，通过建立机构的静力学平衡方程，将末端执行器的自由度定义为结构矩阵的所有列矢量正张成的空间的维数；同时给出并证明末端执行器自由度的类型；说明绳牵引并联机构的奇异类型仅有过运动性的奇异，证明了纯平动机构不存在奇异位姿；最后，根据无奇异机构的设计原理，列举了无奇异性的3个1R2T机构、2个2R3T机构和1个3R3T机构。     

空间3-PRR并联机构的奇异性及其在不规则曲面雕刻机中的应用

提出了一种空间3-PRR并联机构,该并联机构所有转动副的轴线均相互平行.基于螺旋理论计算得到1R2T机构具有3个自由度.用闭环矢量法求得并联机构的运动反解,基于运动反解求出了机构的Jacobian矩阵,并利用矩阵获得了该机构的两种奇异位形.由给定参数和约束条件,采用工作空间搜索法求得动平台的可达工作空间,给出了并联机构...     

完全各向同性3自由度平面并联机构的型综合

提出了完全各向同性3自由度平面并联机构型综合的系统方法.首先,根据螺旋理论讨论了完全各向同性平面并联机构的运动学必要条件.然后,基于机构各分支对动平台控制功能的不同,通过互易螺旋理论推导出各分支的驱动螺旋、主动螺旋和可动非主动螺旋,并按照分支连接度的不同列举出所有可行的分支运动链.最后,按照机构各分支相应的装配条件,选取所综合出的3条分支运动链将动平台和静平台连接起来得到预期的机构,共得到新型机构3 167种.由于综合出的并联机器人机构的运动雅可比矩阵均为单位阵,即条件数恒为1,因此这类机构具有良好的运动学和力传递性能,在工业机器人、微操作机器人和医用机器人等领域具有潜在的应用前景.     

基于互易螺旋理论的无奇异完全各向同性移动并联机构型综合

基于互易螺旋理论提出一种无奇异完全各向同性纯移动并联机构型综合的系统方法。首先给出机构末端操作器输出运动的矩阵表达式,然后根据该表达式正雅可比矩阵为非零对角阵的条件确定出机构支路驱动螺旋的表达形式,并依据驱动螺旋与主动螺旋互易积为非零常数的条件确定出主动螺旋的形式,再根据驱动螺旋与同一分支中除主动螺旋外的所有其他运动螺旋互易积都为零的特点,确定出可动非驱动螺旋的类型及其轴线方向,从而按照机构分支连接度的不同进行机构支路的型综合。最后取3条所综合出的机构支路将动平台与静平台联接起来即可得到所期望的机构。最后对一种新型3-CRP无奇异完全各向同性移动并联机构进行运动学分析。结果表明,所提出的型综合方法正确可行。     

Gough-Stewart平台高效动力学建模研究

运用凯恩方法建立并联机构动力学模型,以并联机构动平台参考点的速度和角速度作为伪速度,推导各个驱动杆和动平台偏速度和加速度,建立各个构件的凯恩方程,并加以综合,得出系统的动力学模型。所得模型表达简洁,变量和方程的数目少,适用范围广,计算效率高,适于并行计算。该方法便于在任务空间建立控制模型,并为并联机床的动态分析与设计提供了基础。     

基于小波有限元对注塑型腔内熔体的三维流动分析

分析了不可压缩、非等温、黏性非牛顿流体在型腔内的流动特点,应用小波有限元法准确地模拟出熔体型腔内充模流动模型,克服了传统有限元在工程奇异性问题求解中的不足。算例表明,数值计算结果与实验结果比较一致,该方法成功地模拟了注塑成形型腔内流体的流动过程的重要特征。     

Solving inertial wrench of parallel manipulators using CAD variation geometry

It has been a significant and challenging issue to solve the inertial wrench of parallel manipulators (PMs) for their dynamics analysis and control. A CAD variation geometry approach is proposed for solving the inertial wrench of PMs. First, an initial simulation mechanism of PM, and a simulation mechanism of PM with linear/angular velocity and acceleration are created. Second, when modifying the driving dimension of the active legs, the simulation mechanisms are varied correspondingly, the position, linear/angular velocity and acceleration of moving platform and legs, and inertial wrench of moving platform and legs are solved automatically and visualized dynamically. Third, a 3-DoF PM is illustrated, and the displacement, linear/angular velocity and acceleration, and inertial wrenches of the moving platform and legs are solved using CAD variation geometry and are verified by the analytic solutions. Finally, inertial wrenches of the legs are transformed onto the moving platform.     

Structural Synthesis of Parallel Mechanisms with High Rotational Capability

Most parallel mechanisms(PMs) encountered today have a common disadvantage, i.e., their low rotational capability.In order to develop PMs with high rotational capability, a family of novel manipulators with one or two dimensional rotations is proposed. The planar one-rotational one-translational(1 R1 T) and one-rotational two-translational(1 R2 T)PMs evolved from the crank-and-rocker mechanism(CRM) are presented by means of Lie group theory. A spatial 2 R1 T PM and a 2 R parallel moving platform with bifurcated large-angle rotations are proposed by orthogonal combination of the RRRR limbs. According to the product principle of the displacement group theory, a hybrid 2 R3 T mechanism in possession of bifurcated motion is obtained by connecting the 2 R parallel moving platform with a parallel part, which is constructed by four 3 T1 R kinematic chains. The presented manipulators possess high rotational capability. The proposed research enriches the family of spatial mechanisms and the construction method provides an instruction to design more complex mechanisms.     

Kinematics of a five-degrees-of-freedom parallel manipulator using screw theory

In this work, the kinematic analysis of a five-degrees-of-freedom decoupled parallel manipulator is approached by means of the theory of screws. The architecture of the parallel manipulator under study is such that the translational motion of the moving platform, with respect to the fixed platform, is controlled by means of a central limb provided with two active prismatic joints while its rotational motion is controlled by means of a three-degrees-of-freedom spherical parallel manipulator. The forward position analysis is presented in semiclosed form solution applying recursively the Sylvester dialytic elimination method. On the other hand, the velocity and acceleration analyses are carried out using the theory of screws. Simple and compact expressions to compute the velocity state and the reduced acceleration state of the moving platform, with respect to the fixed platform, are easily derived in this contribution by taking advantage of the Klein form of the Lie algebra se(3). Finally, only few and slight modifications to the proposed method of kinematic analyses are required in order to approach the position, velocity, and acceleration analyses of parallel manipulators with similar topologies.     

Design procedure for cuspidal parallel manipulators

In the design of parallel manipulators, a major problem is their reduced operational workspace. This is mainly due to the existence of a complex singularity locus within the workspace. The singularity-free workspace therefore corresponds to only a fraction of the potential workspace, and dimensioning the manipulator is intended to optimize such singularity-free workspace. The singularity locus often divides the workspace into isolated volumes according to assembly modes and working modes. As a result, it is common to restrict the operational space to a simple geometric shape inside a singularity-free workspace. However, it is well known that appropriate motion planning can make the most of a more complex workspace by means of transitions between working mode and/or assembly mode. In this paper, the authors obtain the locus of cusp points in the joint space entity, which will permit non-singular assembly mode changing in cuspidal manipulators. Making use of such entity, the optimum dimensional parameters are obtained which increase the possibility of non-singular transitions while obtaining a maximal, regular-shaped workspace.