全柔性机构在并联微动机器人中的应用

柔性机构,特别是全柔性机构以其特殊的性能在微位移、微操作、微装配等领域得到广泛应用。通过对柔性机构的特点、全柔性微动机器人与普通平面机构、平面并联机构、空间并联机构结合的例子等的介绍,对柔性机构,特别是全柔性机构在微动并联机器人领域的国内外发展现状作了较全面的介绍。指出了目前存在的若干主要问题。     

新型6自由度并联微动机器人微运动学及其运动解耦性分析

利用坐标变换法，建立了新型6自由度并联微动机器人的微运动学模型，并对其运动解耦性进行分析；采用不同的初始驱动位移量和驱动方式，对该机器人的有限元模型进行分析，进一步讨论了其微运动学上的解耦性，最后对研制的微动机器人样机进行了运动解耦性测试和验证。该并联微动机器人的运动解耦，为其动力学分析、控制及其标定的简化提供了理论基础。     

一种3-2-1正交布置的6自由度并联微动机器人运动分析

本文对一种3-2-1正交布置的6自由度并联微动机器人进行运动分析.给出这种特殊构型并联微动机构的位置正解和逆解的显示方程,同时给出了该并联微动机构的力雅克比矩阵和速度雅克比矩阵.指出该并联微动机构可以产生两种相互解耦的复合运动,一种是3-DOF的Z-tilts运动,另外一种是其相应的3-DOF平面一般运动.     

一种3-2-1正交布置的6自由度并联微动机器人运动分析

本文对一种3-2-1正交布置的6自由度并联微动机器人进行运动分析.给出这种特殊构型并联微动机构的位置正解和逆解的显示方程,同时给出了该并联微动机构的力雅克比矩阵和速度雅克比矩阵.指出该并联微动机构可以产生两种相互解耦的复合运动,一种是3-DOF的Z-tilts运动,另外一种是其相应的3-DOF平面一般运动.     

3-RRR平面并联微动机器人的运动学分析

运动学分析是并联机器人机构分析中的首要问题,是进行机构动力学分析、精度分析的基础,而全柔性微动机器人机构的首要目标就是精确实现所需的运动。因此对其运动学的研究在机构学领域占有重要的地位。本文对平面并联微动机器人进行了建立伪刚性模型,采用闭环矢量原理建立理论运动学线性模型,得到理论Jacobian矩阵,其次对该机构进行实验分析,得到工作平台的实验输出位移和方位角(Jacobian矩阵);然后用ANSYS软件对其进行有限元分析,得到有限元运动学模型(Jacobian矩阵值),最后通过分析比较该机构的理论运动学方程、实验运动学方程和有限元运动学方程,得到输出平台适用的运动学方程。     

微动机器人运动学分析的基础研究

本文针对微动机器人的特点,采用微分的方法对微动机器人的运动学进行了分析,得到的六自由度并联微动机器人的输入输出的位移方程、速度方程、加速度方程均具有显式的正逆表达形式,使微动机器人的运动学分析十分方便,具有通用性。     

3-PPSR并联微动机器人静刚度分析

为简化6支链并联微动机器人的复杂结构,减小装配误差,提出压电陶瓷驱动的3-PPSR构型6自由度并联微动机器人结构.采用整体式下平台和三条两端带有柔性球铰链和直圆柔性铰链的支杆,使结构紧凑并有利于提高精度.为分析对并联微动机器人精度具有重要影响的静刚度指标,首先求出此类机器人的逆解矩阵及支杆柔性铰链处微小角位移和末端位姿的关系.在此基础上,考虑支杆两端柔性铰链和弹性平板的弹性变形,运用虚功原理推导并联微动机器人静刚度矩阵.进而仿真分析机构各几何参数对静刚度的影响,获得支杆两端铰接点半径及直角弹性平板和支杆两端柔性铰链尺寸对刚度的影响规律,为此类并联微动机器人刚度配置和机构优化设计提供理论依据.     

三支链六自由度并联柔性铰微动机器人的研究

提出了一种过程中采用的新型三支链六自由度并联微动机器人结构。采用两端分别带有柔性球铰和柔性旋转铰的支杆以简化结构,整体加工包含三个二自由度单元的基平台来有效减小装配误差,并用压电陶瓷驱动弹性平板获得高分辨率高精度。根据运动影响系数理论对其运动学进行分析,求出了其平动台、支杆和柔性铰链的速度表达式。考虑柔性铰链的弹性变形,基于虚功原理建立了其刚度模型。 分析了此类并联微动机器人的设计目标和柔性铰链设计原则,采用模块化精密定位控制器设计了控制系统。实验结果表明,所设计的微动机器人可达到纳米级精度, 简化了六支链六自由度并联微动机器人的复杂结构,减小了装配误差。     

新型基于6—PSS三维平台机构的并联微动机器人

提出一种新颖的基于6－PSS并联三维平台机的微动机器人并介绍其结构布局特点,应用Jacobian矩阵和力Jacobian矩阵的子阵,分别对其线速度与角速度和力与力矩的各项同性进行了分析计算,并建立显式的微位移正解和反解方程,为其设计和使用提供理论依据。分析计算结果表明,该微动机器人算法与控制简单,微位移解耦和速度与力向向同性,具有最佳的运动和力传递性能。     

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。     

一种三自由度全柔性并联微动激振台的设计

根据工程多维振动模拟的需要,设计了一种非对称全柔性3-RRRP微动并联激振台机构。在普通非对称3-RRRP并联机构基础上,将机构中的普通关节全柔性化,形成新型全柔性微动并联机构,在全柔性并联机构的主动件处施加单自由度的压电陶瓷激振器,设计出全柔性的多维微动激振台,经理论分析,发现该振动台具有三平移的微振动模拟输出。最后,对之进行了ADAMS软件仿真模拟,模拟结果显示,此种全柔性多维微动激振台可以以单层结构实现不同方向单自由度的平动振动模拟,也可以实现多维(二自由度或三自由度)微动振动的模拟输出,且激振输入与振动输出运动学完全解耦,具有相同的振动规律与振动频率,容易控制。     

全柔性并联机器人支链静刚度矩阵的建立

设计了一种新型非对称全柔性3-RRRP平移微动并联机器人机构。在柔性铰链静刚度矩阵及柔性移动副静刚度矩阵的基础上,先建立该微动机器人机构单个支链的一般模型,利用坐标矩阵变换（D—H矩阵变换）的方法,推导出一般支链静刚度矩阵求解的理论过程,进而求得该支链端部的静刚度矩阵。最后,通过理论计算-简单模型,并用ANSYS对理论计算结果进行模拟。模拟结果显示,理论计算的静刚度矩阵与模拟结果很相近,说明一般支链静刚度矩阵理论推导过程具有一定的准确性。     

整体式平面三自由度全柔顺并联机构构型拓扑优化设计

基于平面三自由度全柔顺并联机构与传统并联机构的微分运动学矢量连续映射关系,建立整体式平面三自由度全柔顺并联机构构型拓扑优化模型-固体各向同性材料插值(Solid isotropic material with penalization,SIMP)模型,运用优化准则(Optimization criterion,OC)算法对所建立模型求解,采用Heaviside过滤技术处理优化过程中棋盘格和网格依赖问题。基于曲线拟合方法对优化后整体构型轮廓进行拟合,在Solid Works软件中建立其三维模型,进而应用有限元软件进行静力学仿真分析与对比,结果表明:以微分运动学矢量连续映射关系为拓扑优化设计条件,所得出的平面三自由度全柔顺并联机构与传统并联机构具有相同的微分运动特性,定性验证了基于拓扑方法对平面全柔顺并联机构设计的有效性。     

一种全柔顺六稳态机构的设计

多稳态机构因不需输入能量就可保持多个稳定平衡状态而在生产生活中得到越来越广泛的应用。全柔顺多稳态机构免装配、无摩擦、低能耗,但因为柔顺片段大变形时容易产生应力集中、输出非线性等原因,全柔顺多稳态机构的设计难度较大。提出一种全柔顺六稳态机构的设计方法,由两个临界跳转力不同的双稳态机构和一个柔顺片段组成机构,成功实现六个稳定平衡状态。对柔顺片段用伪刚体模型法建模,并通过比较两部分结构的力-位移特性给出机构具有六个稳定平衡状态的条件,从而避免了非线性分析;考虑机构的实际运动给出柔顺片段的刚度范围计算公式,设计者可据此选择合适的刚度完成全柔顺六稳态机构的设计。用ANSYS得到的输出力特性和样机测试证实了该设计方法的正确。     

一种新型3-CRP移动并联机构的设计和运动分析

提出了一种新型三维移动并联机构,该机构由3条正交运动链3-CRP将动平台和定平台连接而成.利用螺旋理论对机构的自由度进行了分析和计算,研究了分别以圆柱副中的转动和线性移动作为主动输入的机构的运动学正逆解、奇异性和各向同性.当以转动输入为主驱动时,运动雅可比矩阵为3×3阶对角阵,故机构为无耦合并联机构;当以移动为主驱动时,雅可比矩阵为3×3阶单位阵,且其行列式的值为1,所以在整个工作空间内机构表现为无奇异完全各向同性.因此该机构具有良好的运动和力传递性能以及较强的实用价值.     

基于多目标拓扑优化的全柔顺并联机构构型固有振动频率研究

为有效抑制随机振动对超精密定位与加工装备性能的影响,提高本体机构的固有响应频率,提出了基于多目标拓扑优化的全柔顺并联机构构型设计方法。基于折衷规划法和平均频率法定义了多目标优化函数,并以体积分数为约束条件,建立了全柔顺并联机构SIMP拓扑优化模型。基于Optistruct软件及优化准则算法,并结合微分矢量同构映射雅可比矩阵,实现了全柔顺并联机构构型多目标拓扑优化设计。研究结果表明：所设计出的3-PRR型全柔顺并联机构与并联原型机构具有微分运动一致性,且优化过程中的频率交叉振荡明显减弱并趋于收敛。     

一种新型三维平动并联机构及其位置分析

对一种新型的三平动自由度并联机构3-PRUR进行了研究。首先,使用螺旋理论确定了该机构的自由度和可能的运动;然后,根据机构的特点求得该机构的位置反解;接着使用Bezout消元法求得该机构的位置正解;最后,提供了一个数值实例,该实例证明了位置正反解的正确性。     

三平移并联机构3-RRC的工作空间分析

机器人的工作空间是衡量机器人性能的重要指标之一。并联机器人的工作空间决定着并联机器人的整体尺寸。通过矢量法建立了三平移并联机器人机构3—RRC的位置正反解方程，探讨了结构参数对该并联机构工作空间的影响规律，为扩大工作空间提供了途径，且为工作空间的综合提供了依据。该并联机器人机构在工业装配机器人、力与力矩传感器、虚拟轴机床、坐标测量机等领域具有广泛的应用前景。