三自由度并联姿态测量机构及其运动学参数最优化设计

提出了基于并联结构的三自由度姿态测量机构，将其连接到三自由度串联结构位置测量装置末端可以实现对被测物体六自由度位姿的综合测量。该测量机构克服了并联机构运动学正解的困难，得到运动平台姿态坐标参数的显式解。建立了基于全微分理论的姿态测量机构坐标参数误差模型，实现机构运动学参数的优化设计。误差因子分析使得机构运动学参数设计更为合理。     

平面两自由度并联机构运动学标定研究

提出一种平面两自由度并联机构，由运动学分析得出机构的运动学解析解，针对该机构提出了一种运动学标定的新方法。与传统的并联机构运动学标定方法不同，该方法无需测量末端执行装置的全部位置和姿态，只需测量末端执行装置在工作空间内的一系列位移量；通过使用万能工具显微镜作为检测工具，从而无需额外安装位移传感器。建立了使得距离测量误差平方和最小的非线性规划数学模型，并通过MATLAB软件的优化工具箱进行求解。实验证明了该方法的有效性，并得出了机构运动学参数的最优值。实验结果表明，标定后机构精度明显提高，标定方法可靠。     

基于工作空间最大化的平面柔索驱动并联机构优化设计

工作空间是并联机构的重要指标,柔索驱动并联机构与杆支撑并联机构相比,其突出的优点是具有较大的工作空间.从平面柔索驱动并联机构出发,探讨柔索与动平台的连接位置对定姿态工作空间大小的影响.建立柔索驱动并联机构静力模型,并对4根柔索驱动的3自由度平面机构的定姿态工作空间进行分析,对此类机构的柔索与动平台的连接位置参数进行建模,通过直接搜索的优化算法对这些位置参数进行优化,得到了最优的结构参数.与常用的平面构型相对比,优化后的机构构型具有更大的定姿态工作空间.     

按照性能指标进行机构优化设计

提出了一个根据给定相关性能(如精度和工作空间),设计6自由度并联机构的可靠方法。该方法采用了区间分析理论及其算法,不仅可以分析末端执行件定位精度的测量误差,也能够得到设计参数的取值区间。只要并联机构的几何参数满足这些求得的设计参数区间,该并联机构必然达到相关的性能要求。利用本文的算法,应用于一个6自由度的并联机构设计。本文通过对该并联机构搜索空间的分析,比较了设计参数和阈值对计算结果和效率的影响。     

冗余并联柔索机构姿态工作空间的研究

将冗余并联柔索机构应用于飞行器模型的风洞试验,而工作空间是评价冗余并联柔索机构工作能力的一个重要指标,是并联机构设计的重要基础.分析了该冗余并联柔索机构的姿态工作空间的算法,基于此算法提出了机构的非奇异工作空间和实际姿态工作空间的概念及其相应的算法.通过计算机仿真给出了一个具体的冗余并联柔索机构的非奇异姿态工作空间和实际姿态工作空间的三维可视化描述,为该冗余并联柔索机构的设计和使用提供了一些理论依据.     

一种新型四自由度并联机构的工作空间分析

新型四自由度2PUS-2PRS并联机构适用于搭建大型结构件的高速铣削装备。工作空间分析是其参数设计的基础。在分析该机构拓扑特性的基础上,首先运用矢量法构建了其位置逆解的解析表达式;并采用几何包络面理论,导出该并联机构工作空间受限的约束集合;进而通过数值求解,得到其定姿态工作空间截面面积与姿态角的变化规律。     

6-PPPS 正交六自由度并联机构的姿态空间设计

基于姿态参数给出了姿态空间的新定义,并给出了一种姿态能力的评价指标;针对新型6-PPPS并联机构的结构特点,分析了该构型以Z-Y-X欧拉角为姿态参数的姿态空间,分析结果可用于指导机构设计和初步确定机构姿态设计参数的许可范围,避免设计参数的不合理。     

新型轮对几何参数测量装置的设计及误差分析

介绍了基于并联机构的新型测量装置的工作原理 ,并在分析其运动几何关系的基础上给出了测量轮对几何参数的计算式及该机构的有关参数 ,完成了机械部分的设计。通过对机构的测量误差的分析 ,得出误差补偿的依据 ,使得传感器执行机构在加工精度要求一般的情况下具有较高的测量精度 ,达到设计要求 ,具有一定的实用性。     

3-R(US&SPU)可折叠并联机构的定姿态工作空间及其参数优化

结合可展机构和并联机构的各自优点,提出一种可折叠3-R(US&SPU)并联机构.考虑动平台常用姿态,对工作空间进行详细的分析.采用单变量分析法,研究约束参数对定姿态工作空间的影响,进而以工作空间最大化为目标函数,采用遗传算法对其设计参数进行优化.最后,采用优化之后的机构参数搭建样机.将理论分析结果与样机试验进行比对,验证了理论计算以及工作空间分析的正确性,为工程实际应用奠定了基础.     

用遗传算法解具有给定工作空间的并联机构综合问题

提出一种利用遗传算法求解6自由度空间并联机器人机构综合问题的新方法。该机构的工作空间必须包含预先给定的且具有一定姿态能力的工作空间。为了描述具有一定姿态能力的工作空间，给出了一种简单有效和搜索算法。该法考虑了连杆长度限制、铰链转角限制和连杆干涉。算例表明结构参数可得到有效地优化，从而获得紧凑的机器人机构。     

Analysis and evaluation of objective functions in kinematic calibration of parallel mechanisms

This paper analyses different objective functions for the parameter identification of parallel mechanisms and studies the influence in the position and orientation errors to improve their accuracy. A new objective function considering deviation terms is presented. This function is compared with other widely used functions and the advantages and disadvantages of each function are presented. The geometric parameter identification is performed by external calibration by means of the direct kinematic model. First, the objective functions are defined considering error position, error orientation and deviations in measurement. These functions compare the measured and calculated moving platform coordinates in order to obtain the identified model parameters that minimize this difference. The measured coordinates are obtained by measuring three sphere centres, fixed to the moving platform of a parallel mechanism, and the computed coordinates are given by the kinematic model. Second, the model is solved by the Levenberg–Marquardt algorithm for a number of identification positions. Finally, the calibration is verified in test positions. The results obtained show that the consideration of the deviations in measurement in the objective function with respect to classical approaches allows us to better identify those kinematic parameters corresponding with passive joints that cannot be measured. These findings confirm that a suitable objective function can improve the mechanism accuracy by more than one order of magnitude in both position and orientation errors.     

6-THRT并联机器人的误差模型研究

针对Stewart平台式的6-THRT型并联机构的研究,提出了一种中心轴测量模型。采用一般工业机器人位姿误差分析法,建立并联机构的误差模型,并结合单杆固定法来获取末端位姿信息,该模型包含了杆的制造、安装及铰链的位置安装等几何参数误差。通过Matlab软件进行仿真运算,分析了影响末端位姿的主要误差源。该研究为并联机器人的误差补偿提供了一定的理论依据。     

6-PSS型并联机床的仿真研究

在对６－ＰＳＳ构型虚拟轴机床进行运动学标定的仿真计算过程中,采用光栅球杆仪对虚拟轴机床的运动姿态进行间接测量,然后通过矩阵重构的方法来解决测量噪声的干扰问题。仿真结果表明,计算出的结果完全可以满足机床在工作空间里的运动精度要求。因此采用此方法对虚拟轴机床进行标定是可行的。     

核主泵螺栓检测装置的环形轨道平台位姿调控并联机构综合

主泵中空法兰螺栓在线检测装置轨道平台作为整个装置的运行基准,其位姿调控是实现精准超声检测的核心技术;将装置末端超声探头定位、倾摆、偏航误差映射为轨道平台的几何形态误差;提出基于形位测度思路的轨道平台调控机制。即将环形轨道、主泵筒体映射为并联机构的动、静平台,轨道平台与主泵主体六自由度相对位姿调控过程分解为具有几何意义的水平度、同心度有序调节过程;基于方位特征理论构型组合方案,综合出对应水平度调节的一平移两转动(1T2R)并联机构及同心度调节两平移一转动(2T1R)并联机构构型。所综合并联机构构型确保了轨道平台安装调整过程具有可调性、解耦性,其研究思路及可操作性设计方法可为多自由度调节机构设计提供思路。     

6UPS并联机构铰链间隙误差的标定与精度分析

研究了常用的机构标定方法及相应的测量工具,使用激光干涉仪完成了测量实验,并使用矢量法误差求解模型对测量结果进行了分析计算,获得了机构静平台铰链的安装位置误差、杆长的误差变化、动平台铰链的位置误差数值,并提出了采用拟合误差椭球面的方法对铰链位置装配误差与铰链间隙误差进行分离的误差分析方法,研究了椭球的求解方法,得到了椭球的长轴、次长轴和短轴参数,进一步比较了所有铰链误差在坐标系中的空间分布情况,研究了机构安装结构和铰链类型与误差分布规律的相互关系,这样优化的误差数据可以取得比较好的补偿效果。     

采用间接测量法对VAMT1Y型虚拟轴机床运动学标定的仿真研究

在对虚拟轴机床进行运动学标定的仿真计算过程中 ,采用间接测量法对虚拟轴机床的运动进行间接测量 ,然后通过矩阵重构的方法来解决测量噪声的干扰问题。仿真结果表明 ,虽然在虚轴机床的工作空间里无法将其可能存在的结构误差全部求出来 ,但计算结果完全可以满足机床在工作空间里的运动精度要求。因此采用此方法对虚拟轴机床进行标定是可行的     

Development and kinematic calibration for measurement structure of a micro parallel mechanism platform

This paper presents a micro-positioning platform based on a unique parallel mechanism developed by the authors. The platform has a meso-scale rectangular shape whose size is 20 × 23 mm. The stroke is 5 mm for both the x-and y-axes and 100 degrees for the α-axis. The platform is actuated by three sets of dual stage linear actuators: a linear motor for rough positioning and a piezo actuator for fine positioning. The developed micro-positioning platform has a measurement system that consists of three linear sensors. The position and orientation values of the movable platform can be measured directly and used in a feedback control system. Selecting 18 kinematic error parameters of a measurement system (feedback control system), a two-stage kinematic calibration method is proposed. Constant error parameters are found in the first stage and variable error parameters are found in the second stage of kinematic calibration. After kinematic calibration the position error is reduced to within 0.5 μm and error reduction rate is over 90%.     

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。     

A study on vibration of Stewart platform-based machine tool table

In this paper, an analytical study on the vibrations of a parallel manipulator is addressed. In the vibration equation of the moving platform, the damping and stiffness of the pods are taken into account. The eigenvalue problem of the moving platform is solved to obtain the natural frequencies. Considering the role of different factors effective on the mass and stiffness matrices of the platform, natural frequencies for different configurations are investigated. The results obtained by analytical approach are further verified through FEM simulation. The effect of variation in position and orientation of the moving platform on the change in stiffness of its supporting chain, inertia tensor and natural frequencies and mode shapes of the platform as well as the effects of different payloads are studied. The vibration of the platform in different configurations is studied in different cutting conditions. The ranges of resonance frequencies and vibration amplitudes are then investigated. Finally, proper configurations of the moving platform are determined to avoid dynamic instability in different machining conditions. It also will be illustrated in this paper that some specific features embodied in the mechanism are appropriate for high-speed milling.