低耦合度PRPaR-2CPR并联机器人机构设计与运动学分析

提出一种支链含平行四边形结构的新型PRPaR-2CPR并联机器人机构，机构由1条PRPaR支链和2条CPR支链构成，具有结构简单、耦合度低、刚度高特点。基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论和方法，对自由度和运动性质进行分析计算，利用杆长约束条件建立运动学方程，计算得到逆解表达式，同时得到正解数值解。另外，根据雅克比矩阵分析出奇位性存在条件，通过位置逆解表达式，运用极限边界搜索法分别得到工作空间和运动灵巧度性能图谱，绘制相应性能图谱加以分析，期望在有限的操作空间范围内获得更好的运动灵活性性能。以任务工作空间内的全局灵巧度作为优化目标，选择遗传优化算法进行结构参数的优化设计。优化后的任务工作空间内灵巧度性能得到极大的改善，使此并联机构运动性能得到改善。     

基于灵巧特性的三平动并联机构的尺度综合研究

考虑机构的灵巧性提出一种新型3-PUU并联机器人,对该并联机构进行运动学分析,得到了3-PUU并联机器人的运动学反解,在此基础上,建立了并联机构的雅可比矩阵;引入运动灵巧性指标。对该并联机器人的运动灵巧性进行了尺度综合分析,为并联机构的构型设计和进一步提供了依据。研究结果表明,该种机器人具有较好的实际应用前景。     

五自由度并联机器人机构运动性能优化研究

围绕一种5自由度的4UPS-UPU并联机构,建立其运动学模型及雅克比矩阵,考虑机构在运动空间内的运动学性能,引入全域条件指标和全域梯度指标作为运动灵巧度的评价指标,并采用柱坐标边界极限搜索法求解工作空间,建立全域指标的数学模型;基于多学科设计优化软件Modefrontier对机构进行了多目标优化研究,采用实验设计和粒子群优化算法对机构进行了优化,求得Pareto最优解。通过优化前后结果比较,机构运动性能得到增强,为并联机构多目标优化设计提供参考。     

基于灵巧度3-RCR并联机器人机构的结构参数优化

对新型三平移3-RCR并联机构的位置解、雅克比条件数进行了求解分析;基于3-RCR并联机构的全域条件数,以灵巧度作为优化目标,利用遗传算法对其结构参数进行优化研究,运用MATLAB软件编程得到了该并联机构的灵巧度图谱,为该类并联机构的进一步研究和应用提供了参考.     

3-RRR并联操作手灵巧度分析

研究3-RRR机构的灵巧度,将3-RRR 并联机构的8种拓扑地构分为两类,推导出两类拓扑结构的运动学模型.基于机构的逆运动学模型.得到雅可比矩阵;将雅可比矩阵条件数作为灵巧度说谷指标,比较两类拓扑结构的灵巧度.比较结果表明.第一尖拓扑结构具有较好的灵巧度.因此,实现建造3-RRR并联机构、通常采川第一类拓扑结构.     

基于遗传算法的3-DOF并联机床机构的结构参数优化

建立了3-P-(2U-2S)并联机床机构的反解方程,求解得到机床的工作空间。通过雅克比矩阵条件数的计算,得到并联机床机构的运动特性条件指标。以工作空间与全局条件指标(GCI)作为评价指标,应用BP网络算法和遗传算法对机床机构尺寸参数半径R与杆长L进行了综合优化。结果表明优化后的综合性能得到了提高。     

新型三平移2PPPa并联机构运动学分析与优化设计

以空间三平移并联机构作为研究对象,根据方位特征集设计理论和方法,设计一种运动解耦、结构对称、运动副简单、工作空间大的空间纯移动并联机器人机构,通过拓扑结构特性分析证明机构具有空间三维移动的运动特性,并建立运动学方程模型,推导得到运动学正逆解以及雅克比矩阵;在此基础上分析机构奇异性、操作空间、灵巧度等性能指标,以工作空间最大化的实际需求作为数学优化模型,选择萤火虫算法进行优化设计,通过优化后的结构参数尺寸进行算例分析。结果表明:优化后的工作空间性能得到显著改善,工作空间体积较优化前增加12%,优化后的参数为机构的应用设计和控制提供参考。     

新型纯移动并联机构的运动学和灵巧性分析

提出一种新型的具有拓扑对称结构的空间移动并联机构,其3条分支中各含有一个平行四边形结构。利用螺旋理论对该机构的活动度及类型进行分析,给出机构的位置正、逆解析解,推导出映射机构主动关节输入速度矢量和动平台输出速度矢量关系的雅可比矩阵,并对机构的灵巧性进行分析。由于机构输入-输出速度间存在一对一的控制关系,所以机构具有完全解耦性。该机构在并联机床、医用机器人等领域有潜在的应用前景。     

三自由度并联机构性能分析与优化

以含中间恰约束PU支链、能够实现三自由度的3UPS-PU、4UPS-PU并联机构为研究对象,对机构进行运动学分析,建立机构模型和位置数学模型,求解完整的雅可比矩阵。建立全域灵巧指标和全域刚度性能指标,基于粒子群优化算法对两种并联机构进行多目标优化,并进行比较分析。结果表明,4UPS-PU冗余并联机构比3UPS-PU并联机构具有更好的全域灵巧数和全域刚度数。     

3-TPT五自由度并联机床的灵巧性分析

通过对东北大学研发的3-TPT五自由度并联机床机构分析，推导出其运动学方程正解、逆解及雅可比矩阵表达式。通过对运动灵巧性分析及仿真，定量地分析了并联机床在结构设计上可能存在的奇异点问题，提出了解决方法，对提高并联机床操作精度有着十分重要的意义。     

Analysis and dimensional design of a novel hybrid machine tool

This paper presents a four degrees of freedom (DOF) hybrid machine tool based on a novel planar 3-DOFs parallel manipulator and a long movement of the worktable. Closed-form solutions are developed for both the inverse and direct kinematics about the parallel manipulator. Three kinds of singularities are presented. Based on the formulation of condition number and the definition of the position workspace and orientation workspace, the effects of the design parameters on the dexterity and workspace were discussed. The change ratios of condition number were defined and used as the evaluated indicator to analyze the effects of the design parameters on the performances. A dimensional design approach that could satisfy the requirement of motion platform realizing orientation capability, dexterity and workspace was proposed. A novel 4-DOFs hybrid machine tool was manufactured. The methodology presented in this paper can be of great help in the design, trajectory planning, control and application of such devices.     

含两个冗余驱动并联机床的灵巧度分析

以两个冗余驱动的并联机床为研究对象,建立机床的运动学模型,得到机床的雅克比矩阵,并对机床进行灵巧度分析。利用雅克比矩阵建立了3个影响机床灵巧度的指标,即可操控性、条件数和最小奇异值,通过这3个灵巧度指标定义了综合灵巧度系数这个评价指标。最后采用MATLAB进行仿真分析,得到不同位置的灵巧度分布情况,为机床的优化和轨迹规划奠定了一定的理论基础。     

Design and Kinematics of a Parallel Manipulator for Manufacturing

This paper presents a new model of parallel manipulator for manufacturing, whose mechanism comes from the general Stewart platform which has the advantages of high rigidity and high load capacity. A scheme of the link mechanism is also proposed to make the link structure very simple. The mechanism parameters are optimized by workspace analysis of the parallel mechanism. With the view of kinematics equivalence between parallel mechanism and serial mechanism, by way of hypothesis serial mechanism and branch hypothesis serial mechanism, an efficient kinematics algorithm has been developed. The problem, derived motion produced by the link structure, has also been solved conveniently.     

一种新型运动冗余并联机构的运动学研究

针对传统3-RPR型非冗余平面并联机构运动过程中存在奇点,且需要较大驱动力矩无法实现平滑轨迹跟踪问题,提出了一种新型3-PRPR运动冗余并联机构。建立了新型并联机构的位置、速度和加速度模型,基于运动学模型进行了工作空间仿真分析,分别对不同末端执行器位置和大小、不同基圆半径对工作空间的影响进行了对比分析,并对工作空间运动轨迹进行了分析。仿真结果表明:末端执行器位置只影响定向工作空间,对可达工作空间无影响;定向工作空间和可达工作空间均与基圆半径成正比;末端执行器大小与定向工作空间成反比,与可达工作空间成正比。相同条件下,与传统3-RPR并联机构相比,所提出的新型并联机构工作空间明显增大,证明了该新型并联机构的有效性。     

基于动力学性能的粘片机2PRR焊头机构尺度优化

IC粘片机的2PRR焊头机构为高速高精度运动部件,仅以尺寸和运动学指标对其进行优化设计难以达到性能最优的效果,故提出了基于动力学性能指标最优的尺度优化方法及其求解算法(双重遗传算法)。首先,建立2PRR并联机构的动力学方程并确定其关键尺寸和工作空间基准点坐标作为优化变量;然后,以工作空间范围内动力学性能最优为目标建立优化模型,并列出了约束条件;最后,通过双重遗传算法求得优化结果。算法结果收敛表明该方法有效。该方法对高速高精度机构的优化设计具有参考价值。     

A systematic optimization approach for the calibration of parallel kinematics machine tools by a laser tracker

Parallel kinematics machine has attracted attention as machine tools because of the outstanding features of high dynamics and high stiffness. Although various calibration methods for parallel kinematics machine have been studied, the influence of inaccurate motion of joints is rarely considered in these studies. This paper presents a high-accuracy and high-effective approach for calibration of parallel kinematics machine. In the approach, a differential error model, an optimized model and a statistical method are combined, and the errors of parallel kinematics machine due to inaccurate motion of joints can be reduced by this approach. Specifically, the workspace is symmetrically divided into four subspaces, and a measurement method is suggested by a laser tracker to require the actual pose of the platform in these subspaces. An optimized model is proposed to solve the kinematic parameters in symmetrical subspaces, and then arithmetical mean method is proposed to calculate the final kinematic parameter. In order to achieve the global optimum quickly and precisely, the initial value of the optimal parameter is directly solved based on the differential error model. The proposed approach has been realized on the developed 5-DOF hexapod machine tool, and the experiment result proves that the presented method is very effective and accurate for the calibration of the hexapod machine tool.     

一种并联机器人机构运动特性优化研究

针对并联机器人工作空间的最大化,提出一种具有四自由度的并联机器人机构模型,该并联机器人具有几何对称、运动学简单、平移工作空间沿直线导轨方向无限扩展等优点。采用投影法简化位移分析,采用闭环矢量法分析并联机器人机构瞬时运动学特性。通过对雅可比矩阵的秩分析,确定雅可比矩阵的正向奇异构型、逆向奇异构型、组合奇异构型和局部奇异构型,研究具有偏置角的远端平行四边形的局部奇异特性。在工作空间分析的基础上,建立以机构所占最大面积为目标函数的优化模型,并采用遗传算法优化设计参数,结果表明当偏移角为15°时,可达工作空间总体增加了17%。