(2SPS/U)&(2SPS/RR)型并联拟人机械臂的设计与运动学分析

针对现有仿生拟人机械臂连续性差、稳定性差和惯性冲击大的问题,提出了一种新型并联拟人机械臂,可以模拟人的腕关节、肘关节、肩关节动作,采用(2SPS/U)&(2SPS/RR)的二级耦合并联机构来驱动各个关节动作。为得到其运动学正反解,利用封闭矢量法和牛顿迭代法计算得到两级并联机构的运动学正反解;并将整个拟人臂的机构构型进行简化,基于D-H法对整个机构进行了位置正反解的计算和验证。     

新型2UPU/2SPS并联机器人计算机辅助几何分析

提出运用计算机辅助几何法来研究新型4自由度并联机器人的位置和工作空间的问题,利用在CAD软件草图环境下建立的并联机器人模拟机构,基于并联机器人的模拟机构,分析出一种4自由度2UPU/2SPS并联机器人的位置和工作空间.模拟结果表明,计算机辅助几何法的应用不但大大简化了并联机器人机构分析位置和工作空间难度,而且快捷直观,值得推广.     

3RPS并联机构的运动学误差建模及其分析

为了提高XYZ-3RPS六轴卧式混联机床的运动学精度,建立了3RPS并联机构的运动学参数误差模型。首先对3RPS并联机构的几何误差源进行了分析。然后基于闭环矢量微分法建立了3RPS并联机构包含铰点位置误差、转动副轴线方向误差、驱动支链零位杆长误差等27项结构参数误差对末端位姿误差的映射模型。最后设计了仿真实验,利用ADAMS的虚拟样机技术,获取机构实际末端位姿误差。通过与误差模型的结果对比,验证了所分析的27项结构参数误差设定值在（0.1～0.2）mm的范围内,误差模型的位置误差求解精度大于0.01mm,姿态误差求解精度大于0.01°。进一步的数值验证表明,误差模型的精度会随着结构参数误差值的减小而显著提高,为3RPS等少自由度并联机构的误差建模和运动学标定提供理论依据。     

一种2SPS+UPR并联机构的位置与工作空间分析

对2SPS+UPR并联机构进行了分析研究。运用解析几何中的坐标变换理论,求得了该机构位置反解的显式表达式,利用数值仿真验证了位置反解数据;采用CAD变量几何法确定了该并联机构的工作空间边界曲面,并利用小型CAD软件对工作空间进行了三维可视化描述,从而给出工作空间一种有效的计算方法。     

2-(CRR)2R结构降耦并联机构及其运动学分析

提出一种能实现三移动一转动(3T1R)的新型完全对称4-CRU并联机构,其4条支链结构完全相同。基于单开链理论及结构降耦原理,对4-CRU并联机构进行结构降耦设计,得到耦合度κ=1的低耦合度2-(CRR)_2R并联机构。其优点在于动平台由两条混合支链并联构成,且支链完全对称,机构姿态转角相对较大。2-(CRR)_2R并联机构耦合度降为1,极大地降低了机构位置正解的难度,有利于机构运动学分析。根据该机构的几何关系与运动约束,建立位置正解的一维搜索模型,再应用黄金分割法求出全部高精度位置正解。推导出机构位置逆解方程,应用数值实例验证了位置正、逆解的正确性。采用矢量法对机构动平台速度及加速度进行分析,得出速度及加速度正、逆解,并利用MATLAB软件编程进行数值计算。同时,应用Adams进行运动学仿真分析,验证了自由度分析的正确性;其运动学分析曲线与MATLAB计算结果一致,表明文中建立的解析模型和分析方法是正确、可行的。     

2RUS/2RRS并联机构位置正解分析

迭代搜索算法(牛顿法或拟牛顿法)是求解并联机构位置正解的重要方法。由于分支的极限位置奇异,迭代搜索算法的搜索空间易于超出机构的工作空间,导致其在求解2RUS/2RRS这一类并联机构位置正解时失效。以平面串联分支为例,给出了具有一定通用性的消除分支极限位置奇异的等效方法,并将2RUS/2RRS机构等效为2UPS/2RPS机构进行正解求解。基于动平台转动角速度和欧拉角导数的关系,通过虚设机构法得到了等效机构4×4的雅可比矩阵。将初始位姿对应等效机构雅可比矩阵作为每次迭代的近似初值,能够进一步减少拟牛顿法的计算量,提高计算效率。最后,采用拟牛顿法中的逆Broyden算法对2RUS/2RRS机构的正解进行了数值验证。     

2UPS-2RPS机构正运动学分析的序单开链法

基于序单开链法对具有不同支路结构的2UPS-2RPS少自由度并联机构进行了正运动学速度和加速度分析。依据机构的拓扑结构特征,采用相同的序单开链分解线路,建立了与机构位置分析模型相统一的机构速度和加速度分析模型,得到了维数最低且恰等于机构耦合度的机构速度和加速度方程,给出了其速度和加速度分析的数值算例。     

髋关节试验机中3SPS+1PS并联机构有限元分析

以髋关节试验机中3SPS+1PS并联机构为研究对象,通过UG建立了并联机构的实体模型,并利用ANSYS进行了静力和模态分析.通过对3SPS+1PS并联机构在某一工作位置时两种不同受力情况的分析,得到机构整体的应力应变分布情况,验证了机构的静刚度满足设计要求.通过模态分析,得到3SPS+1PS并联机构的固有频率和振型,分析了固有频率和振型对机构动态特性的影响.     

一种新型四自由度并联机器人运动学特性

提出一种新型四自由度并联机器人机构,命名为2UPU／2SPS11机构,该机构可以实现空间的三维移动和一维转动。采用计算机辅助几何法,建立并联机器人模拟机构,得到动平台位置轨迹,并采用拟合法分析动平台速度、加速度。采用解析法建立机构的位置正反解方程．并基于影响系数法推导速度、加速度方程,对计算机辅助几何法的分析结果进行验证。验证结果表明,计算机辅助几何法研究并联机器人的运动学特性是可行的,值得推广。     

基于共形几何代数求解(4SPS+SPR)+(2RPS+SPR)串并联机构位置正解

提出将共形几何代数引入至串并联机构位置正解求解过程,以(4SPS+SPR)+(2RPS+SPR)串并联机构为例,首先分别针对上下层并联机构选择合理的运动学参数,基于共形几何代数中基本几何元素的表示方法,对机构中相应球面、平面等共形几何表达式进行求交或对偶运算,得到上下层并联机构动平台顶点的共形几何表达.再结合机构中尺寸、几何约束和内积运算,建立上下层并联机构正向位置解的一元高次方程,进而获得上下层并联机构动平台相对于基平台的位姿.在此基础上,基于共形几何代数中刚体运动变换表达式,得到串并联机构动平台顶点的共形几何表达,进而获得串并联机构的位置正解.该方法避免了传统方法中复杂的消元运算,且分析过程几何直观性较强,在简化串并联机构位置正解几何建模方面表现出巨大优势.     

并联六坐标测量机测量模型的建模与求解

为研究并联坐标测量机的工作空间、控制算法和测量精度等 ,必须进行机构位置分析。测量模型的建立与求解是机构位置分析的正解问题。为降低位置分析难度 ,设计了基于演化Stewart平台的并联六坐标测量机。分别采用等效机构法和三维搜索法建立了测量模型 ,并通过计算机仿真获得了测量模型的解析解和数值解。仿真结果验证了两种建模方法的正确性。     

基于2-PRU/PUU并联机构的伴随运动与工作空间分析

针对一种新型2-PRU/PUU并联机构的伴随运动及工作空间进行了分析。根据螺旋理论对机构的自由度进行分析;通过修正的Grübler-Kutzbach公式判断了其结果的正确性;通过创建2-PRU/PUU并联机构的运动学数学模型,推导了伴随运动与动平台位姿之间的数学关系,在此基础上,利用三维空间坐标矢量法计算了该机构的位置反解;采用极限边界搜索法在Matlab软件中运算求解出工作空间,并利用Adams软件对2-PRU/PUU并联机构进行了动平台质心运动参数的仿真计算。研究为该机构的尺度综合、误差分析以及为今后实际工程应用提供了理论与数据支撑。     

基于拓扑结构分析的求解6-SPS并联机构位置正解的研究

建立机构拓扑结构复杂性和位置正解求解难易性的关系,提出按机构耦合度k大小来分类求解并联机构位置正解全部实数解的数值法,可使正解问题求解容易,具体内容包括：对39种不同构型的6-SPS并联机构,按6种基本机型、33种衍生机型的拓扑结构及其耦合度值分为k=0、1、2、3四类,分析得到了动平台边数、支链类型影响耦合度k值大小的规律。对不同k值的并联机构的位置正解求解指明明确的求解方向,即：对k=0的机构可容易地直接求解其解析正解;对k>0的机构,通过虚设k个SPS型支链,使之转化为k=0的虚拟并联机构,并基于杆长条件建立k个仅含一个变量的杆长相容性方程,再采用k维搜索法求出实数解。以六自由度球面Stewart机构为例,给出了求解耦合度k=1的任意6-DOF SPS并联机构位置正解全部实数解一维搜索法的具体步骤。这种基于拓扑结构分析的6-SPS并联机构位置正解求解的数值法,求解原理简单,计算量小,且具有一般意义。     

冗余机构2URR-2RRU运动学与性能分析

针对实际运动控制对机构运动学分析及性能分析的依赖性问题,将并联机构运动分析方法应用到了新型并联机构2URR-2RRU中。首先运用了螺旋理论对机构自由度进行分析,采用矢量法对机构进行了位置分析,通过位置反解求解了相应的雅可比矩阵,并对机构进行了奇异性分析,再利用Matlab空间数值搜索法对该并联机构进行了工作空间分析,最后采用LTI性能指标对该机构的力/运动传递性能进行了分析。研究结果表明:该3自由度并联机构位置正解解析解难以求解,且该机构只存在反解奇异,其工作空间在Y轴方向上的大小由机构末端尺寸决定;性能分析结果显示,该机构具有良好的力/运动传递性能,可为2URR-2RRU并联机构优化提供理论基础。     

一种冗余驱动并联机构的设计与奇异性分析

在Delta机构的基础上提出一种含冗余驱动的三平移并联机构。基于螺旋理论计算了该并联机构的自由度,分析了位置反解,推导出雅可比矩阵,结合Gosselin奇异分析法,对Delta机构的奇异位形进行分析并找出两种新的奇异位形。将Delta机构和冗余驱动并联机构的奇异性进行比较,为了验证理论分析结果,引入可操作度这一运动性能指标,基于数值法对两种机构的奇异性进行比较。理论分析结果表明冗余驱动并联机构可以实现和Delta机构相同的功能,但其第二类奇异位形明显比Delta机构少;数值分析结果表明选取合适的工作空间和机构参数可减少并联机构的奇异位形,同时也验证了理论分析结果的正确性。     

新型4-SPS/PPU并联机构运动学分析

提出一种能实现空间两移动和两转动的新型4-SPS/PPU四自由度并联机构模型,其中SPS支链为驱动支链,PPU为恰约束从动支链.采用螺旋理论计算了4-SPS/PPU并联机构的自由度.讨论了该机构的位置反解与正解,通过对位置方程求一阶微分,导出该机构的Jacobian矩阵,并分析了其加速度性能,给出了该机构Hessian矩阵的求解方法.根据运动Jacobian矩阵推导出该机构的条件数,通过数值分析验证了结构参数对该机构灵巧度的影响.为该机构的构型设计提供了理论依据.     

4SPS+SPR和2UPU+SPR并联机床法向加工3D自由曲面仿真

为了方便、高效地对5自由度4SPS+SPR和3自由度2UPU+SPR并联机床法向加工任意3D自由曲面进行仿真分析,利用SolidW orks软件对两种并联机床三维实体建模,通过CAD变量几何法,首先建立4SPS+SPR和2UPU+SPR并联机构的模拟机构,其次在模拟并联机构动平台上构造任意3D自由曲面和刀具加工轨迹的引导平面,然后保持刀具与自由曲面垂直,便得到两种并联机床的模拟机构,最后给定加工路径,与并联机构合成,各驱动杆长和动平台的位姿便能自动求解和动态显示。结果表明:CAD变量几何法不仅简单直观,而且省去了大量的编程计算。     

四自由度2PPPaR并联机构运动学及性能分析

提出一种可以实现三个移动和一个转动(3T1R)的新型四自由度并联机构—2PPPaR并联机构,它通过两个转动副将两条相同支链与动平台相连,每条支链均采用平行四边形机构,通过安装在水平和垂直方向的两台直线电机驱动。该并联机构具有结构简单、构型对称、工作空间大、速度快且定位精度高的特点,可广泛用于高速高精度的分拣、包装、码垛操作中,具有较好的工业应用前景。基于螺旋理论验证了该机构自由度的数目和性质,分析了该机构的运动学特性,得到了其位置的封闭解,并通过算例进行了验证。基于机构的Jacobian矩阵分析了该机构的奇异性,给出了几种典型的奇异构型,利用解析法和数值法确定了机构的可达位置工作空间,分析姿态角和各设计参数对可达位置工作空间体积的影响,研究了机构可达位置工作空间的形状及满足的几何约束条件,为后续机构的优化设计和轨迹规划提供理论依据。     

含冗余驱动并联机构的混联加工单元运动学分析及实验验证

设计了一款以2UPR&2RPS冗余驱动并联机构为动力头的新型5自由度混联加工单元,并对其进行了运动学分析.首先,基于旋量理论计算混联加工单元的自由度,证实其具有空间两转动和三平动(2R3T)运动能力.其次,运用空间矢量法建立混联加工单元的运动学模型,推导出机构的位置正/逆解解析式.再次,基于分层搜索思想预估混联加工单元的工作空间,给出了5轴可达工作空间的分布.最后,通过开展实验样机的切削实验,验证了运动学分析的正确性.     

一种2PUU+2PUS并联机构的位置与工作空间分析

对2PUU+2PUS并联机构进行了分析研究.运用解析几何中的坐标变换理论,求得了该机构位置反解的显式表达式,给出了求解位置正解的方法,并进行了数值验证;采用CAD变量几何法确定了该并联机构的工作空间边界点,并利用小型CAD软件对工作空间进行了三维可视化描述,从而给出工作空间一种有效的计算方法.