一般平面并联柔性机构的力逆解

一般平面并联柔性机构由三根弹簧并行地将活动平台与固定平台相联而成，其力逆解即对于给定的活动平台所作用外力外力矩，求解机构处于静力平衡时的所有构形，文中建立了该机构的力逆解方程组，并用连续法对其进行了求解，算例一般平面并随意柔性机构的力逆解最多具有７０组解。     

新型2-TPR/2-TPS空间4自由度并联机构

提出一种新型2-TPR/2-TPS空间4自由度并联机构。机构的运动平台通过两个相邻的TPR分支运动链和两个相邻的TPS分支运动链与固定平台相联接。每个TPR分支由一个胡克铰T、一个移动副P和一个转动副R组成,一端通过胡克铰T与固定平台相联,另一端通过转动副R与运动平台相联;每个TPS分支由一个胡克铰T、一个移动副P和一个球面副S组成,一端通过胡克铰T与固定平台相联,另一端通过球面副S与运动平台相联。运用约束螺旋理论,对机构的运动性质和奇异位形进行分析。机构运动平台具有沿两个TPR分支所在平面的二维移动自由度,和以两个TPR分支胡克铰二级转动副轴线所在平面内的任何直线作为转轴的二维转动自由度。选取4个分支运动链的移动副作为驱动副,发现了机构可能出现的四种奇异位形。     

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。     

一种新型运动副及其在并联机床上的应用

提出了一种基于新型运动副——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个分支汇交于一个三重球铰,另2个分支汇交于一个二重球铰,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。这种基于复合球铰的5个分支新型虚拟轴机床与基于Stewart平台机构的6个分支的虚拟轴机床相比具有同样多的实用自由度,并且机床结构简单、解耦,其正反解计算及控制亦相对简单。探讨了5分支机床的结构形式,尤其对关键结构——复合球铰的结构,机构位置反解,以及一定姿态下的可达工作空间进行了分析和计算。这种新型虚拟轴机床在空间曲面加工领域将有着广泛的应用前景。     

空间3-SPS/S对顶双锥机构的运动学分析

提出了一种能实现空间三维转动的并联机器人机构--空间3-SPS/S对顶双锥机构.该机构的动平台与基座通过移动副和约束分支连接,具有3个SPS驱动分支.位于动平台与基座上的3个球铰中心分别与中间球铰中心构成正三棱锥结构,机构成为由中间球铰连接的对顶双锥机构.这样的结构特点使该机构位置正解得到简化,获得了完全封闭形式的位置、速度、加速度正反解;计算量小,便于运动轨迹规划和驱动力实时控制.该机构可用作机器人的肩、腕、踝等关节,也可用于卫星天线和摄像定位装置.给出了该机构一般输入时工作平台的位置、速度及加速度的对应关系曲线,描述了该机构的运动学特性.     

绳索驱动腕部并联康复机构设计与逆运动学分析

针对现有腕部康复机构运动范围小,存在柔顺性和舒适性差等问题,提出一种新型绳索驱动、压缩弹簧支撑的柔性并联腕部康复机构。机构定平台、动平台由三根绳索和压缩弹簧连接,弹簧用来模拟腕骨与韧带复合体,起支撑并限制与掌骨相对应的动平台运动;动平台模拟掌骨末端,定平台模拟桡骨和尺骨末端;三根绳索模拟肌肉来驱动并联机构。考虑弹簧轴向位移以及柔性问题,基于有限转动张量法和力与力矩平衡分析方法,构建系统逆运动学数学模型,得到运动学和静力学联合求解的非线性方程组。通过对机构模型分析,完成0～75°下各绳索长度和拉力的数值求解。通过仿真与试验得到人体腕部生理运动空间和机构有效工作空间,验证了机构的合理性和分析方法的正确性。所提出的求解方法对康复机器人和绳索驱动并联机构设计具有积极的促进作用。     

共形空间中的少自由度空间并联机构正解

针对3-RPS型空间少并联机构正解问题,利用3-RPS型并联机构在共形空间中的运动特性,对其运动学问题进行求解。首先,利用共形空间中的几何元素表达方式以及共形变换规律,求得并联机构动平台三个球铰在空间中的位置表达式,表达式中含有一未知数。接着,根据共形几何空间中的内积性质,以及并联机构运动规律,得到一方程组,该方程组为并联机构正解的符号辅助解。最后,结合已编写程序,将并联机构设计参数带入方程组,对符号辅助解进行求解,进而求得并联机构正解的数值解。计算结果表明,这种基于共形几何,将符号与解析结合的正解求解算法,由于不需要计算雅克比及其逆矩阵,也不需要进行数值解的反复迭代,计算速度优于传统算法,这使得该算法的实时性和准确性满足实时控制的需求。     

三自由度冗余驱动并联机构的奇异性和工作空间分析

基于4-SPS/S三自由度冗余驱动并联机构的位置逆解模型,运用微分法推导出了该并联机构的雅可比矩阵,结合Gosselin奇异性分析法和数值分析法,分析了该并联机构的奇异性。随后分析了影响4-SPS/S三自由度冗余驱动并联机构工作空间的主要因素,并对其各支链的行程限制、各球铰副的转角限制和各支链间的尺寸干涉限制等影响因素进行了解析化分析。最后,基于4-SPS/S三自由度冗余驱动并联机构的位置正解模型,设计了该并联机构回转工作空间的求解算法。该算法避免了数值方法及几何方法的复杂性和不确定性,实现了回转工作空间的直观性表达。     

2-PUR-PSR并联机构的运动学分析及尺度综合

Exechon机器人中的并联模块2-UPR-SPR机构由内副P驱动(U:虎克铰,P:移动副,R:转动副,S:球铰),运动部分质量大且对刚度有一定影响。提出外副驱动的2-PUR-PSR并联机构,具有和2-UPR-SPR相同的自由度数目和性质,采用螺旋理论分析了2-PUR-PSR并联机构的自由度,确定了其两条转轴,建立了位置逆解模型。基于螺旋理论得到描述机构运动/力传递性能的局部传递指标和全域优质运动/力传递空间比指标。借助空间模型法对2-PUR-PSR并联机构进行尺度综合,获得性能分布图谱,确定最优尺寸区域。2-PUR-PSR并联机构在加工、装配等方向有较好的应用前景。     

6-PPPS正交六自由度并联机构的位置正反解

针对一种新型6-PPPS并联机构,提出方向余弦阵法进行位置正反解的解析求解。利用机构运动副的运动参数构建并联动平台的方向余弦阵,通过添加约束条件,得到唯一的反解,同样方法可得出所有从动移动副的运动参数。根据方向余弦阵的性质构建约束方程,利用Maple软件辅助求得8组解析正解。根据球铰的约束,发现该机构实际正解唯一,给出了唯一正解的求取方法。     

一种远中心并联机构运动学与性能分析

由固定移动副驱动的并联机构具有刚度好、精度高等优点,适合应用于外科手术领域。微创穿刺活检等手术要求机器人可驱动手术器械绕远端固定点转动。提出了一种2PURR-PUR远中心并联机构,采用螺旋理论分析了机构的自由度,确定了其运动特性。机构可执行绕远端中心的两个转动运动和一个通过该中心的移动运动。建立机构的位置模型,得到了位置逆解表达式。通过速度分析建立了雅可比矩阵,并得到了机构的奇异位形。机构具有逆解奇异和正解奇异。分析机构的工作空间。基于运动/力传递性能方法,分析机构的性能指标,绘制工作空间内的性能分布图,对机构进行了尺度优化。提出的远中心机构可用于穿刺活检、近距离放射治疗、冷冻手术等单一微小创口的外科手术。     

一种新型混联机床执行机构位置正解的神经网络分析法

根据空间三自由度并联机构和X-Y二自由度运动平台组成的新型混联机床构型的结构特点,提出两种求解位置正解的方法:一是以刀具所在动平台三个球铰之间的距离为约束条件,提出一种解析方法解出位置正解;二是提出多层前向神经网络求解机构位置正解的方法,此法将位置逆解结果作为训练样本,采用levenberg-marquardt算法,实现了机构从关节变量空间到工作空间的非线性映射,从而求得位置正解。结果表明:与第一种方法相比,神经网络方法的计算精度高,没有复杂公式推导和大量的计算,计算过程简洁,耗时少,可应用于该机床的工作空间控制或是求解机床的工作空间。     

一类二簧系统的力分析

利用 Dixon结式给出了解决一类二簧系统力的逆分析的新方法 ,利用该方法 ,可方便地得到一个关于弹簧位置角度的一元六次方程 ,即封闭形式的解。两个弹簧的长度和另一个位置角等变量可相应求出。并用一个数值例子验证了该方法。另外通过分析系统势能随外力的变化规律 ,得到了机构灾变点的判别式 ,该判别式说明当机构靠近灾变点时 ,判别式值趋于零。推导过程使用了微机数学软件MATHEMATICA。     

基于球面并联机构的检测平台设计与性能研究

为提高光电产品自动视觉检测的准确性,研制了一种含冗余驱动支链的4SPS/S球面并联调姿平台样机。含冗余驱动支链的4SPS/S并联机构为调姿平台机构本体,具有绕动平台中心点的3个转动自由度,可以实现待检零件任意角度图像信息的获取。建立了该并联机构的运动学模型,导出了机构位置逆解方程和雅可比矩阵;基于雅可比矩阵的秩讨论了机构的奇异性,并验证了冗余驱动支链能消除机构内部奇异;基于雅可比矩阵的非冗余分解,提出了一种评价冗余驱动并联机构力传递性能的指标。分析机构动定平台球铰安装方式对机构运动学性能的影响,得到了机构姿态空间体积大、灵巧度好的动定平台球铰安装方式;设计制作了球面并联检测平台样机,分析并绘制了样机姿态空间以及灵巧度、力传递性能在姿态空间内的分布。结果表明,样机转动空间大,无内部奇异,灵巧度和力传递性能高且分布均匀,能满足光电产品瑕疵检测的工艺要求。     

基于边界搜索法的4UPS-UPU并联机构工作空间分析

设计了一种4UPS-UPU并联机构,通过矢量代数法求解该并联机构运动学逆解,给出关节变量与末端位姿间的映射关系.采用边界搜索法分析并联机构定姿态时的工作空间,获得工作空间的三维图形,计算工作空间大小.研究该并联机构的支链长度、动静平台半径和运动副转角等结构参数和运动参数对其工作空间大小的影响,为机构的参数优化及轨迹规划提供理论依据.     

具有弧形移动副的3-RPS并联机构刚度特性分析

提出了1种具有弧型移动副的3-RPS并联机构,该机构由定平台、动平台和三条支链组成。每个分支运动链包括1个转动副R,1个弧形移动副P和1个球铰S。其中,3个转动副R的轴线共面,并彼此成60°相交。运用螺旋理论对该机构的自由度进行了分析。该并联机构动平台具有3个转动自由度,并且动平台的转动中心是各支链球铰中心与弧形连杆中心连线的交点,此交点随动平台的位姿变化而变化;另外,通过机构各个分支的螺旋互易积,获得机构的约束雅克比矩阵、驱动雅克比矩阵和全雅克比矩阵;并根据守恒协调刚度矩阵,求出机构的结构位形刚度以及外力作用影响产生的刚度,为后续的研究其动力学、运动学性质奠定了基础。     

非对称2UPS-UP并联机构性能分析及尺度多目标优化

以一种两转动一移动非对称2UPS-UP并联机构为研究对象,对其进行了性能分析和尺度参数多目标优化.机构自由度由恰约束支链UP确定,即机构可实现绕该支链U副中心的两转动运动和沿P副的移动运动.给出正逆向位置符号解,且正逆解具有部分运动解耦特性,有利于后续误差分析、轨迹规划与控制.应用矢量法推导出速度表达式,根据速度Jacobian矩阵分析了机构奇异位形.以旋量代数为工具,给出了机构运动和力传递性能评价指标.在机构性能评价和工作空间分析的基础上,建立了机构尺度参数昂贵约束多目标优化模型,并采用多目标进化算法求解该问题,得到多组Pareto最优解.     

绳索-弹簧机构工作空间分析

对于绳索牵引并联机构,因绳索只能承受拉力而不能承受压力,因此完全约束的n自由度绳索牵引并联机构至少需要由n+1根绳索来驱动,冗余驱动会导致成本增加,绳索拉力求解复杂。绳索牵引并联机构中,在末端执行器与机架之间选择适当位置引入弹簧,构成绳索-弹簧机构,由弹簧来提供被动力,则可以实现绳索驱动器与自由度数目相同的可控绳索-弹簧机构。以平面3根绳索1根弹簧机构为例,建立模型,求解可行工作空间,分析弹簧参数对绳索-弹簧机构可行工作空间的影响,采用遗传算法对机构构型进行优化,并对比分析优化前后的工作空间指标。结果表明,绳索-弹簧机构在构型优化选择适当的弹簧参数后,可以显著改变工作空间及其质量,为后期规划动平台的运动轨迹提供参考。     

一种2T2R并联机构的位置逆解和工作空间分析

针对物流行业需要对大量商品快速分拣、包装的需求,提出了一种(2-RRR&RPR+R)&URS型4自由度并联机构,该机构由静平台、动平台、URS支链、以及与带有R副的连接平台相连接的两条RRR支链和RPR支链组成.首先,运用螺旋理论对机构自由度进行分析,求得该机构可实现两转两移的4自由度运动;随后,采用解析矢量法对其进行位置逆解分析,运用数值搜索法并结合位置逆解方程求得工作空间,分析了机构的工作性能;最后,通过Matlab对位置逆解方程进行仿真,并利用Adams对求解结果进行验证,验证了机构逆解模型的正确性以及机构运动的可实现性.结果表明,该机构能沿X轴方向大范围移动,在Y轴方向可实现大角度转动,可以代替物流行业的人工操作,提高工作效率.研究结果可为机构的进一步动力学分析与应用提供理论基础.     

基于串并联机构的自重构移动机器人

为验证具有大输出力矩和工作空间的可重构机构对提高移动机器人运动性能的有效性,设计一种基于串并联等效球铰机构的可对接自重构多模块移动机器人.利用丝杠摇块机构构成并联机构支链,两个支链并联然后与一个旋转机构串联构成主动等效球铰机构.所提出的等效球铰机构结合并联机构和串联机构的优点,能以紧凑的结构提供较大的输出力矩和工作空间.对该串并联机构进行运动学分析,获得运动学逆解,作为机器人控制算法依据.进行机构静力学分析,获得确定驱动力和负载条件下机构的可控工作空间,为结构设计和工作路径选择提供理论指导.提出能实现平面偏差补偿和大负载能力的对接机构,实现机器人模块间的对接和脱离.设计JL-1型机器人样机,并利用该样机进行试验.试验验证了所提出串并联主动等效球铰机构和对接机构的有效性,同时证明自重构功能赋予野外机器人主动扩展地形适应性的能力,从而有效地增强机器人对环境和任务的适应性.