基于拓扑解耦准则的球面并联机构解耦条件研究

具有输入输出解耦特性的并联机构,由于其易于控制,深受欢迎。基于提出的并联机构拓扑解耦准则,针对一种球面解耦并联机构进行了解耦性分析,给出了该机构更一般的解耦条件;更进一步,基于拓扑解耦准则构造了一种更一般的新型球面解耦并联机构。基于拓扑解耦准则进行并联机构解耦特性分析和型综合的方法,对具有拓扑解耦特性并联机构的创新设计和应用具有深远意义。     

球面二自由度5R并联机器人的运动学分析

研究球面二自由度5R并联机器人机构模型，借助球面解析几何理论，建立了机构的约束方程；利用解析法求解了机构的位置正反解，给出数值算例，绘制了相应的位置正解装配图和位置反解装配图；利用对机构约束方程求导数法得到机构的雅可比矩阵。研究结果为该类机器人的进一步分析打下了理论基础。     

移动副驱动的2-DOF球面并联机构运动学分析

提出了一种新型移动副驱动的二自由度球面并联机构,介绍了机构的基本特征并计算了其自由度,验证了该机构运动的确定性。该并联机构采用移动副驱动,具有定位准确、输出力大、容易控制的特点。借助球面解析几何理论,以杆长和共线为约束条件建立了机构的约束方程,采用解析法获得了该并联机构的位置正、逆解;利用求导的方法进一步得到该机构速度和加速度的正、逆解。研究结果丰富了球面并联机构的构型,为该并联机构的应用打下了理论基础。     

一种可实现全球面工作空间的解耦球面并联机构及其特性

针对现有的球面并联机构在大球面工作空间应用领域,其工作空间不足的问题,提出一种具有全球面工作空间的解耦球面并联机构。首先,依据摩擦圆对转动副转动范围的限制,对机构进行了改进设计,实现了机构全球面工作空间及自由度计算;其次,利用封闭矢量法,求解机构位置正反解解析表达式;最后,根据机构输入与输出参数之间关系,推导得到机构速度雅可比矩阵,并验证了机构具有完全解耦特性,为机构应用于全球面工作空间领域提供了理论基础。     

3-RRS球面并联机构的位置解及工作空间研究

利用螺旋理论对3-RRS球面并联机构进行了运动分析。利用牛顿迭代法求解了3-RRS球面并联机构的运动学正解,应用闭环矢量法建立了3-RRS球面并联机构的位置逆解模型并推导出了相应的位置逆解算式,得到了3-RRS球面并联机构的8组逆解。实例分析验证了3-RRS球面并联机构位置解的正确性。利用数值搜索法求解了机构的可达工作空间,利用MATLAB编程绘制了机构在不同结构参数下的可达工作空间图,分析了工作空间的变化规律,为3-RRS球面并联机构的应用奠定了基础。     

多种方法分析二自由度球面并联机构位置正反解

分析了球面并联机构的结构特点和应用方向,以二自由度球面并联机构为例,建立其三维模型以及运动学模型,利用螺旋理论给出自由度分析方法,并分别用欧拉角公式、螺旋理论、矢量分析法等多种理论分析二自由度球面并联机构正反解模型,为后续的动力学分析及控制系统开发提供理论基础。     

RR&P5R型全球面工作空间解耦并联机构研究与优化

具有大球面及完整球面工作空间的球面并联机构是大角域工作空间应用领域研究的重要方向之一。针对当前球面并联机构存在工作空间不足的问题,基于双摇杆机构输入与输出差异化的特性,提出了一种新型2自由度全球面解耦并联机构构型思想,设计了一种RR&P5R型2自由度全球面工作空间解耦并联机构;通过运动学分析,建立了该机构的运动学方程,给出了机构的位置、速度和加速度的表达式;以支链最小输入量q2为优化目标,对机构进行了结构尺寸优化;对RR&P5R型和RR&PRR型球面解耦并联机构进行了性能对比。结果表明,RR&P5R型具有更好的工作性能。研究结果将为大角域球面工作空间需求领域提供重要的理论依据。     

3-R11R11R-4r三平移解耦并联机构位置计算及样机研制

基于以单开链为单元的并联机器人机构组成原理，设计并研制了一种全由转动副组成的动平台能实现空间三维纯移动的解耦并联机器人机构，给出了其位置分析的正、逆解析解，为其工作空间分析、误差分析等奠定了基础。     

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。     

一种新型三维平移并联机构及其位置分析

基于以单开链为单元的并联机器人机构组成原理，设计构造了一种动平台能实现空间三维纯移动的并联机器人机构，对其进行了结构特性分析；给出了其位置分析的正逆解析解，讨论了该机构的输入一输出运动解耦性；用连续法对该机构进行了位置正解的数值计算。     

具有冗余度的三分支空间机器人逆运动学分析

为了给运动学优化、动力学优化与容错控制提供理论基础,利用旋量理论对具有冗余度的三分支空间机器人进行了逆运动学分析,并建立了统一的逆运动学模型。对于各分支具有球腕的三分支空间机器人,基于腕关节的封闭解,给出了简化的逆运动学模型。最后以每个分支有5个旋转关节的三分支空间机器人为例进行了计算机仿真,仿真结果证实了所提逆运动学模型的正确性。     

一种6R非球型手腕机器人逆运动学算法研究

6R非球型手腕喷涂机器人得到了越来越广泛的应用,然而这种机器人的结构不满足Pieper准则,导致该机器人的逆运动学求解困难。对此,提出了一种近似解析法和数值迭代法相结合的6R非球型手腕机器人逆运动学组合算法。首先,根据6R非球型手腕机器人的结构特点近似转化为6R球型手腕机器人,并以等效球型手腕机器人的逆运动学解析解作为近似解,采用基于运动学雅可比矩阵的数值迭代法求解6R非球型手腕机器人的逆运动学精确解。其次,针对等效变换引起机器人有效工作空间减小,从而导致算法失败的问题进行了分析,提出了基于目标位姿偏置的方法提高逆运动学算法的鲁棒性。最后,通过数值仿真验证了所提出的6R非球型手腕机器人逆运动学算法的可靠性和时实性。     

广义Waterbomb折纸管的刚性折叠运动特性

对折叠模式的精确描述是折纸结构工程应用的前提,但现有的理论和方法无法全面地分析大多数折纸结构的刚性折叠过程。以广义Waterbomb折纸管为研究对象,基于球面机构运动学理论系统地分析了其折叠行为与运动协调条件,推导了折叠管刚性收缩和扭转运动的两套解析运动学方程。研究了各种几何设计参数对Waterbomb折纸管刚性折叠行为的影响,并讨论了该折纸结构折叠过程中的分岔行为与可能的物理干涉,及其引起的刚性折叠与结构形变的转化。此工作为基于广义Waterbomb折纸管的可编程超材料、可变形结构和机器人的设计与控制奠定了理论基础和设计依据,同时为复杂折纸结构的运动学分析提供了有效的手段。     

Kinematic Solution of Spherical Stephenson-Ⅲ Six-bar Mechanism

A closed-form solution can be obtained for kinematic analysis of spatial mechanisms by using analytical method.However,extra solutions would occur when solving the constraint equations of mechanism kinematics unless the constraint equations are established with a proper method and the solving approach is appropriate.In order to obtain a kinematic solution of the spherical Stephenson-III six-bar mechanism,spherical analytical theory is employed to construct the constraint equations.Firstly,the mechanism is divided into a four-bar loop and a two-bar unit.On the basis of the decomposition,vectors of the mechanism nodes are derived according to spherical analytical theory and the principle of coordinate transformation.Secondly,the structural constraint equations are constructed by applying cosine formula of spherical triangles to the top platform of the mechanism.Thirdly,the constraint equations are solved by using Bezout’ s elimination method for forward analysis and Sylvester’ s resultant elimination method for inverse kinematics respectively.By the aid of computer symbolic systems,Mathematica and Maple,symbolic closed-form solution of forward and inverse displacement analysis of spherical Stephenson-III six-bar mechanism are obtained.Finally,numerical examples of forward and inverse analysis are presented to illustrate the proposed approach.The results indicate that the constraint equations established with the proposed method are much simpler than those reported by previous literature,and can be readily eliminated and solved.     

Research on transmission principle and kinematics analysis for involute spherical gear

A new kind of transmission-type spherical gear called ‘ring involute spherical gear mechanism’ is introduced. Compared to the famous TRALLFA spherical gear, this new spherical gear has an involute tooth profile, and a ring tooth that is distributed continuously on the surface of the sphere. This allows the gear to overcome two disadvantages of the TRALLFA spherical gear: the drive principle error and the manufacturing difficulty. The new transmission and the formation principle of the tooth’s surface of the new spherical gear mechanism are first introduced, then another mechanism, called disk rack, is introduced, which is derived from the spherical gear mechanism when one of the spherical gear’s tooth number reaches infinity. To make the research more convenient, every part of the new spherical gear mechanism is named. In the following sections, some problems are discussed, such as the assembly form, the construction characteristics, the correct meshing condition, the continuum transmission condition and so on. Furthermore, the paper deduces the surface formula of the conjugate teeth profiles, which proves that the conjugate teeth profiles is also one of the ringed involute spherical gear. In order to analyze the relationship between two coordinate systems, which is attached respectively to the diving spherical gear and the driven spherical gear, the orientation cosine matrix method is utilized. By series rotational transformation, the kinematics model and inverse kinematics model are deduced. Using the method for calculating the transmission ratio of planet gear train, the relationship of the two oscillating angle between output axis and the bracket is established. Based on the research, the kinematics graphic simulation of spherical gear mechanism and disk rack are made respectively. The results prove correctness of the kinematics model. __________ Translated from Chin. J. Mech. Eng., 2005, 41(5) (in Chinese)     

基于D-H坐标系法的移动喷漆机器人运动学分析

对所设计的可移动喷漆机器人进行了D-H坐标建系,推导出了该机器人的运动学正解,并用解析法进行了验证。根据末端执行器的位置和各连杆的变换矩阵求出了运动学的逆解。     

面向踝关节康复的四自由度广义球面并联机构运动学性能

针对现有踝关节康复机器人运动特性与人体踝关节实际运动特性存在明显差异,导致人机相容性不理想的问题,基于高匹配度的U₁U₂型踝关节运动拟合模型,提出一种适用于踝关节康复且结构紧凑的四自由度广义球面并联机构。基于螺旋理论分析其运动及约束特性,论证其与踝关节运动拟合模型运动的一致性;分别建立机构的位置及姿态运动学模型,证明了该机构的位置与姿态之间运动学完全解耦;基于雅可比矩阵极其条件数分析,阐明该机构在纯背伸趾屈和纯内外翻运动中均具有运动学的完全各向同性性质,且在踝关节工作空间内具有较好的灵巧性及可操作度,并无奇异位形等病态位置存在,通过数据对比验证该机构具有较好的运动学特性,适用于踝关节康复。     

基于通用运动模型的五轴机床后置处理

在分析各种五轴数控机床结构的基础上,运用机构学理论建立一种通用的五轴机床机构学模型。利用齐次坐标变换矩阵和正向运动学分析得到通用五轴机床结构的形状创成函数,通过对形状创成函数进行逆向运动学分析得到五轴数控数据完整的表达式,实现了各种配置类型的正交和非正交五轴机床数控数据的通用表达和不同类型五轴机床之间数控数据的相互转换,提高了数控代码的通用性和可移植性。最后基于通用模型,使用C++和QT开发出了一种五轴机床通用后置处理程序,并通过VERICUT仿真软件和实际加工验证了所开发的后置处理的可行性和高效性。     

一种新型球形机器人机构设计及运动仿真

提出一种新型全方位运动球形机器人结构方案,运用非完整系统力学理论对球形机器人运动学进行分析,利用ADAMS软件进行虚拟样机建模和运动仿真,通过物理样机实验验证运动分析的正确性。     

基于旋量理论和Paden-Kahan子问题的6自由度机器人逆解算法

机器人逆解中运动学模型的建立主要采用Denavit-Hartenberg(D-H)参数法和旋量法。D-H参数法相对成熟,在机器人运动学分析中得到广泛应用。旋量法实际应用相对较少,但旋量法中机器人各连杆坐标系相对于底座建立,具有明确的几何意义。基于旋量法建立起的机器人运动学模型,其逆解常采用Paden-Kahan子问题方法加以求解,单纯的Paden-Kahan子问题法只能解决低自由度机器人的逆解。针对后三个关节相交于一点的6自由度关节机器人,基于旋量理论建立起机器人运动学模型,利用经典消元理论和Paden-Kahan子问题相结合的方法,提出一种机器人运动学逆解算法,并给出此类机器人运动学逆解的显式求解结果。以库卡KR-150机器人为例,利用该算法进行运动学逆解,验证了算法的正确性。