可用作虚轴坐标测量机的全解耦并联机构运动学分析

针对提出的一平移两转动全解耦并联机构易产生奇异位置及工作空间较小等不足，通过改变支链两移动副的位置，得到了一种改进型全解耦性质、自由度及运动输出保持不变的一平移两转动并联机构；给出了其运动位置的正逆解析解，得到并分析了工作空间形状及大小；与原机构在正逆解数、解耦性与工作空间形状及大小等进行了比较，证实改进型机构为一种优选机型，更适合于用作虚轴坐标测量机、机床及其他运动平台的实用机型。     

3PRRR并联机构的设计与优化

对一种空间3自由度并联机构(3PRRR)进行设计与优化,该机构是由一个动平台与一个静平台通过3个结构相同的移动副-转动副-转动副-转动副构成的支链组成。分析了机构运动关系,建立了运动学模型,分析滚珠丝杠输出与动平台末端位置的关系以及支链各臂转角与动平台末端位置关系。在MATLAB环境下利用C语言编写程序,以工作空间最大化为目标,对各支链的杆长进行优化,得到了相对最优的机构设计方案。在此基础上,设计加工制作了实物样机。     

基于UG的3T-3R并联机构建模仿真研究

3T-3R并联机构中六个支链均由五个平行四边形机构串联组合成伸缩链,六个支链与静平台和动平台用S球副连接。用UG仿真了平台动态运动时的位移、速度、加速度的变化情况,通过六个并联支链其拓扑结构的位移与动平台的速度、加速度之间的关系,分析了影响动平台输出运动在空间为3平移和3转动共6个运动自由度的准确性和平稳性,研究结果表明并联机构设计方案和结构参数合理,具有较好的操作灵活性,为并联机构的控制提供了必要的依据,有着极其重要的意义。     

基于辅助导轨和关节的空间立方机构位姿误差对比分析

基于S(P) [T]输出基和P输入基的空间立方机构是一具有6-DOF的解耦机构,通过增加辅助导轨和关节可以获得4种新构型,选取一种作为研究对象,立方机构可分解成两个并联机器人的串联组合,并联机器人的各支链均为一串联支链,利用并联机构和串联机构的运动学等效,考虑各分支末端误差对最终运动平台位姿误差的影响,提出了基于动态和静态因素的综合分析方法,并给出了主要的影响因素,并以实例的形式对研究结论进行了有效性验证,通过分析可以知道,辅助导轨和关节的增加使得机构在输出主轴末端的空间位置和姿态误差有减小的明显效果。     

动/静平台非一致型并联机构构型分析及设计方法

针对动/静平台非一致型并联机构的设计需求,提出一种基于尺度综合的机构构型设计方法。根据拓扑结构设计理论对目标自由度并联机构支链进行构造;确定平台联结铰点的数量及类型,对机构进行初步设计及动平台自由度校核;以一种五自由度动/静平台非一致型并联机构为例,运用一次尺度综合对机构尺寸参数进行一次改进,建立机构初步模型;定义冗余支链和角部支链,通过二次尺度综合对冗余支链位置进行二次改进,完成机构所有尺寸参数的计算,给出机构的整体模型;与相似尺寸下、相近工作空间内Stewart机构的局部传递指标图谱进行对比分析,该机构具有良好的运动/力传递性能,验证了所提出的并联机构构型设计方法的正确性和可行性。     

空间2自由度冗余驱动并联机构运动学性能分析

面向建筑机器人领域的高性能机械臂需求,提出了一种空间2旋转自由度的3-UPS&U冗余驱动并联机构。基于螺旋理论和修正的G-K公式对机构的整体自由度进行分析,确定了其围绕恰约束支链万向副旋转的运动特性。建立驱动参数与末端参数之间的映射关系,得到其工作空间模型。通过主驱动并联、从动约束串联的独立建模,构造了该并联机构完整的广义雅可比矩阵,进一步得到动平台末端中心点线速度与驱动关节速度之间的无量纲化雅可比矩阵,并据此建立了特定工作空间下机构的灵巧度、承载能力和刚度性能评价指标。最后结果表明,3-UPS&U冗余驱动并联机构进行较高频次上下摆动作业时,在约束支链所布置的对应转轴方向上,具有更佳的综合运动学性能,且能大大降低性能衰减的幅度。     

3自由度恰约束支链并联机构的静刚度分析

3自由度恰约束支链并联机构主要由动平台、静平台、3条无约束UPS主动支链和中间恰约束PU支链组成。采用螺旋理论求得驱动子雅克比矩阵和约束子雅克比矩阵,最终得到完整雅克比矩阵。通过虚功原理建立3自由度恰约束支链并联机构静刚度解析模型,采用刚度矩阵法通过MATLAB运动算例仿真得到整个工作空间范围内静刚度分布规律。结果表明:中间恰约束支链PU对全局刚度影响明显。     

空间刚柔耦合并联机构系统的频率特性分析

对空间刚柔耦合并联机构系统的固有频率特性进行分析.建立一种空间有限元梁单元新模型,基于有限元法和Lagrange 方程导出有限元梁单元的运动微分方程.通过分析动平台运动参量与运动支链间的运动关系,得到刚柔耦合并联机构系统的运动学约束条件,并由Newton-Euler方程得到系统动平台的动力学模型.根据系统的运动学约束条件和动平台的动力学模型,经过各个单元运动微分方程的有机组装,导出刚柔耦合并联机构系统的整体动力学方程.在此基础上,通过算例3-RRS刚柔耦合并联机构系统的频率特性分析,总结空间刚柔耦合并联机构系统的固有频率与机构基本参量之间的内在规律.结果显示,刚柔耦合并联机构系统的结构尺寸、支链中杆件的截面参量和材料参量等对系统的固有频率都有显著影响.研究对进一步研究刚柔耦合并联机构的动态特性和机构优化设计具有重要的指导意义.     

3-(S/U)P(S/U)并联机构运动能力特性对比分析

基于运动的元素数学表象及物理意义,引入主-副运动理论,区分定义机构输入、输出自由度,利用"六元素法"对关节运动域特征进行描述,通过输入-输出运动综合转化公式和解析分析,借助平面六维拓扑图,从具体3-SPU机构实例分析其输出运动能力特性出发,拓展到由SPS,SPU,UPS同构组成或混合组成的3支链并联机构输出运动特性,得到3个重要影响因素,一是并联机构3支链所在直线与静平台铰接点与形心连线构成平面与静平台所在的水平面是否垂直,二是上下平台是否平行,三是上下平台虽不平行,但某一支链两端的静平台铰接点与静平台形心连线与动平台铰接点与动平台形心连线是否平行是重要影响因素。基于反螺旋的自由度分析结果对应基于主-副运动理论的自由度分析的MDOF分析结果,不包含伴随输出对应的P-DOF分析结果。     

含双驱动支链的2UPS-RPU并联机构加速度分析

首次采用建立海塞矩阵的Accelerator法进行了2UPS-RPU并联机构速度和加速度映射的推导。首先在串联运动链速度映射的基础上借助变分空间与力空间的对偶性质推导了并联机构的广义雅可比矩阵,并进行了各支链关节速率的求解;然后同样借助对偶性质并根据串联运动链末端刚体Accelerator的李括号形式推导了2UPS-RPU并联机构显式的海塞矩阵,并给出了各支链关节加速度的求解模型。最后给出了正向加速度分析的数值算例,为该并联机构的刚体动力学建模奠定了坚实的基础。     

3-RPR并联机构的工作空间分析

本文以3-RPR并联机构为研究对象,对机构的动平台工作空间进行分析求解,通过运动学方程计算求得机构支链的运动范围,即三条支链工作空间的交集区域为并联机构动平台的工作空间。此外,运用MATLAB软件进行编程,绘制机构的工作空间,最后分析影响机构工作空间的因素。     

3PUS-S(P)变胞并联机构力传递性能研究

通过建立力螺旋在关节空间与操作空间之间的映射关系,对3PUS-S(P)变胞并联机构进行静力学分析。3PUS-S(P)变胞并联机构由动平台、静平台、3条PUS无约束支链以及1条S(P)变胞恰约束支链组成。机构具有2个构态,构态1时动平台具有3个空间转动自由度;构态2时新增一个垂直于动平台的移动自由度。首先,基于螺旋理论构造机构在不同构态下的6阶完整雅可比矩阵;其次,基于虚功原理得到少自由度变胞并联机构输入与输出之间完整的力映射模型,建立力传递性能评价指标;最后,对力传递性能评价指标与机构几何参数之间的映射关系进行了研究,为机构进一步的应用奠定基础。     

一种新型3-RPS并联机构的刚度特性分析

对于少自由度并联机构,当机构静止时,其动平台的位姿变形为三维的线变形和三维的角变形。基于雅可比矩阵建立的静刚度模型不能定量描述动平台在非自由度方向的位姿变形量。针对此问题,从单元柔度矩阵的角度对机构静刚度进行了研究。首先通过小变形叠加原理得到单条支链末端变形量。然后基于刚体上任意两点的运动规律,建立各支链末端变形量和动平台位姿变形量的关系。最后基于力的平移定理,通过建立动平台的力平衡方程得到机构的完整静刚度模型。以一种转动副轴线平行布置的新型3-RPS并联机构为例,结合数值算例求解了动平台的全部位姿变形量,通过与ANSYS的有限元结果进行对比,验证了该建模过程的正确性。     

多输出3D打印冗余并联机器人的设计与分析

设计了一种新型多输出3D打印机器人,该机器人机构以Delta并联机构为主构型,以Stewart并联机构为辅助构型,在末端执行器上布置多个打印头,实现多输出。根据建立的运动学模型,分析了该机器人机构的运动学反解,得到速度雅可比矩阵,解得各驱动关节的速度和加速度。给定动平台的运动轨迹,仿真分析了机构的运动协调性,并对机构的灵巧性与静刚度进行了分析。     

PPP-S[T]-PPP新型混联立方机构

基于传统的串联和并联机构构建新型6自由度混联立方机构,通过直线驱动实现输出主轴的三维移动和转动.对机构中常用运动副、机构运动基本单元的移动基和转动基的空间活动能力进行描述定义,基于机构由构件通过关节连接而成的事实,提出一种新的构件关系拓扑图论描述方法,该方法以构件框、约束构件框、构件关系线、约束构件关系线、相邻构件空间相对活动能力关系为要素,对串联机构、并联机构、混联机构进行新的图论描述.基于支链空间活动能力维度和机构空间活动能力维度定义,以实例形式给出混联机构自由度的分析方法,并得到机构非奇异的充要条件.采用解析几何的方法得到机构可达工作空间的形态为一规则的长方体,可达工作空间体积取决于机构平移运动副的运动极限,从而得到其影响因素.通过作图法对机构输出主轴在任意空间位姿的极限偏转角度进行分析,得知导轨长度等是影响其偏转的主要因素.     

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.     

基于结构降耦和运动解耦的并联机构拓扑结构优化及其性能改善

并联机构的拓扑结构包含各支链本身的拓扑结构以及各支链相对于动/静平台布置的拓扑结构两个层面,后者对并联机构的结构、运动、动力学性能有重要影响,但研究相对较少。阐述机构结构降耦原理及其降耦设计方法,同时,提出一种基于Pro/E-ADAMS仿真运动曲线的机构运动解耦性判断方法,而无须求解机构的输入-输出位置方程。以两平移一转动3-RRR、三平移3-R//R//C并联机构为例,不改变其支链本身的拓扑结构,仅改变其在动/静平台之间的拓扑结构,设计出相应的结构降耦构型和运动解耦构型：两平移一转动机构的耦合度从k=1降为k=0,从而极易求得位置正解解析式;而原先不具有运动解耦性的三平移机构具有了部分运动解耦性,因而运动规划和控制变得容易。对一种3-R//R//C解耦构型的位置正解、运动解耦性、奇异位形、工作空间、灵巧度性能进行计算分析,发现其性能明显优于优化前的原始构型。研究成果为并联机构的拓扑结构优化及其性能改善,以及揭示两者之间的关系提供了一种有效方法。     

基于拓扑维度的机构自由度分析与选型设计

在分析机构图论现状的前提下,对机构中常用运动副、机构运动基本单元的移动基和转动基的空间活动能力进行描述定义,基于机构由构件通过关节连接而成的事实,提出一种新的构件关系拓扑图论描述方法。该描述方法以构件框、约束构件框、构件关系线、约束构件关系线、相邻构件空间相对活动能力关系为要素,对串联机构、并联机构、混联机构进行新的图论描述。基于支链空间活动能力的描述方法和运算方法,给出了一般串联、并联、混联机构的空间运动能力、自由度的求解方法。给出了基于机构目标运动能力和工作空间等级、精度等级、承载能力等级为条件的逆向设计方法,针对12种目标任务分类,对应给出了判别依据和共计324种推荐机构类型的结论 。     

三转一移解耦并联机构型综合

通过分析解耦并联机构的输入输出特点,基于支链独立驱动原则和螺旋理论提出了三转一移(3R1T)解耦并联机构构型综合方法。首先,基于解耦并联机构的雅可比矩阵为非零对角阵的要求,利用螺旋理论构造出满足期望要求的正逆雅可比矩阵,以确定支链驱动副作用于动平台上的使动螺旋,再得到该使动螺旋对应支链上的表示驱动副的驱动螺旋和除驱动螺旋之外的其他运动螺旋系,根据支链连接度的不同,可完成支链结构螺旋系的配置;最后根据解耦并联机构分支组合原则,依次选取四条支链连接动平台和定平台,得到3R1T解耦并联机构。综合的解耦并联机构的输出运动是由支链上独立的输入驱动提供的,属于解耦并联机构,此类机构结构紧凑,控制简单,具有一定的应用前景。     

6自由度含弹簧被动支链的绳牵引并联机构工作空间分析

为分析含弹簧被动支链的绳牵引并联机构工作空间特性,建立机构静力学模型,提出一种能直观反映绳牵引并联机构姿态空间大小的评价指标,以含2根弹簧支链的6索6自由度绳牵引并联机构为例,分析弹簧支链参数对机构工作空间性能和工作空间形状的影响。针对引入弹簧支链后出现的工作空间形状缺陷,建立缺陷部分混合位置因子-范围因子罚函数模型,并通过理想点法与遗传算法结合的方法实现了机构工作空间性能多目标优化。结果表明：通过罚函数法在优化中有效消除了可能出现的机构工作空间形状缺陷;含弹簧支链的绳牵引并联机构优化中选择适当弹簧参数,可以显著提高工作空间体积与动平台转动范围。