一种新型空间3自由度并联机构的正反解及工作空间分析

提出一种新型空间3自由度并联机器人机构,该机器人机构的动平台相对于定平台具有空间2个移动、1个转动自由度,建立了其运动学正反解的封闭形式,并对其工作空间进行了系统的分析和研究。该新型并联机器人机构在工业机器人、微动机器人、少自由度飞行模拟器和并联机床等领域具有广泛的应用。     

五自由度3D打印并联机器人设计及分析

为实现多向3D打印,设计了一种新型五自由度3D打印并联机器人,该机器人具有两个转动自由度和三个平动自由度,其特点是采用铰接的动平台以获得大的工作空间。根据建立的运动学模型,计算了该机器人机构的运动学反解,分析了定姿态位置工作空间和定位置姿态工作空间,用螺旋理论方法建立了速度雅可比矩阵,在此基础上分析了五自由度3D打印并联机器人的奇异性、灵巧性,并进行了运动仿真分析。研究结果表明,所设计的五自由度3D打印并联机器人具有大的位置工作空间和姿态工作空间,该机器人在工作空间内存在奇异位置,通过添加冗余驱动后可以消除奇异位置,并且具有良好的灵巧性,适合多向3D打印。     

[PP]S类并联机器人机构姿态描述方法

具有至少两个转动自由度的空间并联机器人机构的姿态描述是机构运动学分析的一个重要内容,描述方法对机构性能分析起着重要作用。[PP]S类并联机器人机构(连接动平台的三个球铰链始终在固定的平面内作平面运动的并联机器人机构)的动平台具有一个移动和两个转动自由度,是并联机器人机构的重要分支之一,位姿描述也是国内外研究的重点。介绍一种用两个角度描述 [PP]S类并联机器人机构姿态的方法,采用该姿态描述方法,[PP]S类并联机器人机构的位姿描述参数可以减少到5个,而且没有绕垂直于动平台平面的轴线的转动伴随运动,减小了此类并联机器人机构运动学分析的难度。与采用3个欧拉角的姿态描述方法相比,这种方法具有运动学描述简单以及伴随运动和姿态工作空间描述方便等优点,符合工程应用需要,是值得推广的一种姿态描述方法     

一种并联宏/微驱动操作手的工作空间

以一种应用于扫描电镜的4-HSPS/PRPUR并联宏/微驱动操作手为研究对象,对该并联机构的工作空间进行了分析.4-HSPS/PRPUR并联宏/微驱动操作手的动平台与基座之间通过4个HSPS分支和1个PRPUR分支相连,机构动平台具有3个方向的移动自由度和绕X轴和Y轴的2个转动自由度.该并联机构同时包含了宏动输入部分和微动输入部分,本文分别对该机构在宏动输入和微动输入下的定姿态工作空间和灵活姿态角工作空间进行了分析.分析表明该机构具有较大的运动能力,同时还发现中间分支的连杆尺寸对运动空间形状有较大影响.综合该机构的定姿态工作空间和灵活姿态角工作空间可知,该并联宏/微驱动机器人能够应用于平台安装空间较小,工作空间需要较大并且定位精度高的场合.得到的结果对4-HSPS/PRPUR机构的应用有重要的理论指导意义.     

悬置式3自由度并联机构的位置及转动性能分析

提出了一种新型的空间3自由度并联机构,该机构的运动平台具有2个移动自由度和1个转动自由度。建立了机构位置的正反解,对机构的转动能力进行了分析,计算出机构动平台在空间运动时的转动角度。同时．可以使整个机构沿x、y方向移动,增加了机构的工作空间。     

一种三维平移正交并联机构及其位置分析

根据并联机器人机构结构综合理论,提出了一种新型的能实现三雏纯平移的空间3-P⊥R⊥4r⊥R三自由度正交并联机器人机构.该机构通过动平台和定平台的3个全部由转动副和移动副构成的约束支链连接,使定平台上3个直线移动驱动副的轴线两两互相垂直.根据杆长约束条件,推导了完全封闭形式的位王正、反解.分析结果为该机构的设计及实用化提供了理论依据.     

3SPS-3PRS并联机构构型分岔特性

作为轴对称矢量喷管转向控制驱动机构的Gough-Stewart类并联机构,主要工作在奇异位置状态.在该位置,驱动平台能够获得一个绕其法线的自由转动,导致转向控制驱动机构的运动具有不确定性.为此,采用少自由度3SPS-3PRS并联机构限制该自由转动,通过对少自由度3SPS-3PRS并联机构的分岔特性研究发现,该并联机构存在尺度极限奇异位置,且输入参数的取值对由尺度极限奇异位置决定的并联机构的工作空间影响较大.对于给定的矢量状态要求,3SPS-3PRS并联机构的输入参数变化范围有可能超出由尺度极限奇异位置确定的工作空间,导致3PRS运动链产生较大的约束内应力,同时并联机构的工作空间跨越奇异位置使得动平台在通过奇异位置后的构型具有不确定性,因此该并联机构的运动奇异性问题依然存在.     

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。     

新型三平移-转动混合型机器人研究

提出一类基于并联平台的新型机器人机构.该机器人以三平移并联机器人为主体,在固定平台与动平台之间增加一附加支链RTPTR.与普通的并联机构相比,该机器人以附加支链的旋转轴作为机器人的输出,具有三平移一转动4个自由度.该机器人充分利用三平移并联机构的优点,结构简单,特别是转动自由度独立灵活,便于实时控制.分析了该机器人的结构及运动学特点,并以3-RPC+RTPTR机型为例研究了其位置,最后分析了该机器人的应用前景.     

一种无伴随运动的对称两转一移并联机构

提出一种新型3-UPU对称并联机构,其动、定平台始终关于中间平面对称,该机构具有两个转动自由度和一个移动自由度。运用螺旋理论对机构的自由度性质及运动特性进行分析,证明该机构动平台可以绕对称平面内的任意一条轴线或任意点发生连续转动,说明该机构不存在"伴随运动",这为机构的求解及控制提供了很大的便利。同时,该机构还具有一个沿对称面法线方向的移动自由度,动平台沿该自由度方向也可以发生连续的移动。针对此机构的结构特点,用两个角度参数就可以方便、直观地表示出动平台的姿态信息。推导该并联机构的位置正、反解,并分析其工作空间,可以看出该机构的正反解都具有解析解,且表达式较为简单,方便后续的深入研究。该机构具有较大的工作空间,能够满足一般的工作需要。     

新型3-PRRS并联机构的位置正反解分析

对新型六自由度3-PRRS并联机构进行运动学分析,推导了解析形式的运动学反解,利用封闭解法研究其运动学全部正解。根据每条支链2个转动副对动平台的不同影响,通过坐标变换和引入角度变量φi,得到动平台3个铰链点坐标;以这三点之间的固定长度为约束条件,建立约束方程,得到以φi为变量的3个超越方程,通过消元法得到16次线性代数方程;利用MATLAB软件编程求解全部位置正解。应用算例对位置正反解进行了数值验证,正解结果与反解结果吻合。研究结果为应用于虚拟轴并联机床的新型3-PRRS并联机构的尺度综合、奇异位形分析、输出误差分析和轨迹控制等方面的研究奠定了基础。     

一种可重构、部分运动解耦的空间n维平移1维转动并联机构的拓扑及其运动学设计

根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论与方法,提出了一种动平台可重构的三自由度并联机构RPa3R-R+RSS。对该机构的运动输出特性进行分析,表明该机构动平台能产生空间n维平移1维转动（nT1R,n=2,3）的输出运动且具有部分运动解耦性,通过动平台的重构可赋予动平台的转动绕3个特定转动轴x、y、z输出;计算了机构的自由度和耦合度;基于序单开链的运动学建模原理,建立了该机构动平台绕任意转动轴输出构型下的通用运动学模型;对动平台绕z轴转动输出构型下的运动学进行了分析,包括位置正反解、工作空间形状与大小、动平台转动能力、机构的奇异位形条件,以及机构的速度和加速度计算与仿真分析。     

一种特殊3-UPU并联平台机构瞬时运动特性

利用反螺旋和主螺旋的方法分别研究了一种特殊3-UPU并联平台机构上下平台平行时的瞬时运动特性.得出该机构在上下平台平行时,机构具有沿坐标轴轴线方向的移动和以x、y坐标轴轴线或其平行的直线为轴线的转动,是三自由度机构.绘制了上下平台平行时所有运动螺旋的空间分布图.研究结果丰富了欠秩三自由度并联机构的理论,对机器人的控制以及轨迹规划等诸多问题都有很重要的意义.     

一种新型并联机床的位置正反解

提出一种基于新型的运动副——复合球铰的虚拟轴机床,它是由5-SPS分支组成的并联机构,其中3个分支交于一个三重球铰,另2个分支交于一个二重球铰,两个球铰固接在一起形成一个复合球铰,代替了并联机构的活动平台,而且机床主轴位于复合球铰中心线上。该机床的特点是结构简单、解耦。针对机构模型建立了约束方程,利用解析法求解机构的位置正反解,并绘制出机构装配简图。     

一种无汇交轴线对称三转动并联机构的运动分析

传统的三自由度转动并联机构（又称球面并联机构）一般都有一个转动中心,且这个中心点往往是分支间多个运动副轴线的汇交点,这种严格的几何条件给机构的加工制造带来很大的难度,制约了这类机构的应用。针对此,提出了一种无汇交轴线的对称三转动并联机构,其三个分支对称布置,分支内及分支间均无汇交轴线。对机构进行了位置反解,得到了机构四种对称的装配构型;从分支运动奇异、平台约束奇异和驱动奇异三个方面对机构进行了奇异分析;最后给定了一组尺寸参数,采用数值搜索的方法得到了机构的姿态工作空间。通过结果可以看出,该机构可以实现三维转动,具有较大的姿态工作空间,而且制造装配相对容易,具有很好的应用前景。     

基于螺旋理论对3-RPS并联机器人运动学分析及仿真

3-RPS型并联机构具有3个结构对称的支链形式,每个支链由一个转动副连接基座,一个球面副与动平台相连接,转动副与球面副由移动副所连接。采用螺旋理论对3-RPS型并联机器人自由度分析,采用反螺旋的方法建立约束雅可比矩阵、运动雅可比矩阵和完整雅可比矩阵,导出了动平台的速度到驱动关节速度之间的映射,从而计算出末端执行器的速度、加速度并进行奇异性分析。基于Matlab SimMechanics软件建立3-RPS型并联机器人仿真模型,进行运动学仿真对比研究,结果表明:动平台的实际输出变化与给定的参考值变化基本相符,验证了该建模方法的正确性。     

3-UCR三自由度并联机构瞬态运动学研究

针对一种特殊3-UCR并联机构,基于反螺旋理论与虚拟机构法对其瞬态运动特性进行了分析,利用支链与动平台的一阶影响系数矩阵之间的关系,建立了此并联机构在螺旋坐标系下的瞬态运动数学模型,得出了一阶影响系数矩阵只与机构输入参数、机构构型有关的结论,同样此建模方法适用于其它欠自由度并联机构的瞬态运动特性分析。通过此数学模型,研究得到任意瞬态的螺旋系节距,表明该机构具有两转动一平动的瞬态运动特性,并利用动静平台平行位姿时的具体数值实例,验证了此瞬态运动特性符合前述分析结果。     

Design and analysis of a class of redundant collaborative manipulators with 2D large rotational angles

The parallel spindle heads with high rotational capability are demanded in the area of multi-axis machine tools and 3D printers. This paper focuses on designing a class of 2R1T (R: Rotation; T: Translation) parallel spindle heads and the corresponding collaborative 5-axis manipulators with 2-dimension (2D) large rotational angles. In order to construct 2D rotational degrees of freedom (DOFs), a platform with 2D revolute joints is proposed first. Based on the constraint screw theory, the feasible limbs that can be connected in the platform are synthesized. In order to provide constant rotational axis for the platform, a class of redundant limbs are designed. A class of redundant 2R1T parallel spindle heads is obtained by connecting the redundant limbs with the platform and the redundant characteristics are verified by the modified Grübler-Kutzbach criterion. The corresponding 5-axis collaborative manipulators are presented by constructing a 2-DOF series translational bottom moving platform. The inverse kinematics and the orientation workspace as well as the decoupling characteristics of this type of 2R1T parallel spindle heads are analyzed. The results show that these manipulators have large 2D rotational angles than the traditional A3/Z3 heads and can be potentially used in the application of multi-axis machine tools and the 3D printers.