基于非瞬时支链位形设计的并联机构内部奇异消除方法研究

依据螺旋理论系统分析了并联机构的约束奇异、驱动奇异和支链奇异,位于工作空间内部的约束奇异和驱动奇异的位形是对机构性能影响最为严重的位形。提出了一种基于非瞬时支链位形设计的并联机构内部奇异消除方法,以3-RRR型、4-RPTR型和3-RRRT型并联机构为例,系统阐述了该方法的设计过程。结果表明,除动平台和基平面重合的位形以外,该方法能够消除其他所有内部奇异位形。       

基于非瞬时支链位形设计的并联机构内部奇异消除方法

引入新支链的冗余驱动方法是目前减少或消除并联机构奇异的有效方法,如何确定所引入支链的结构形式、布置方式和最少支链个数是该冗余驱动方法的核心问题,然而关于这些问题至今尚没有系统的理论和方法。依据螺旋理论系统分析并联机构的约束奇异、驱动奇异和支链奇异三种奇异位形,强调位于工作空间内部的约束奇异和驱动奇异位形是对机构性能影响最为严重的位形,提出一种基于非瞬时支链位形设计的并联机构内部奇异消除方法,以3-RPR型、3-RRR型、4-RPTR型、3-RRRT型和3-RPS型等五种典型的并联机构为例,系统阐述该方法的设计过程。结果表明除了动平台和基平面重合的位形以外,该方法能够消除并联机构的其所有内部奇异位形。该成果为解决冗余驱动方法的关键理论问题提供了参考。     

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。     

3/6-Stewart并联机构奇异轨迹的性质识别

基于并联机构奇异位形产生的运动学原理,推导出3/6 Stewart并联机构奇异位形的解析表达式。并基于此原理 提出了分析并联机构奇异位形的等效机构法,利用此方法推导出了当3/6 Stewart并联机构位于一般姿态时在θ 平面上 的奇异轨迹方程并对其轨迹性质进行了识别。在这些分析的基础上,对该并联机构处于各种姿态时的奇异轨迹的性质 进行了总结。     

2-DOF冗余平面并联机构的奇异位形与冗余性研究

首先介绍一种 2 DOF冗余平面并联机构的奇异位形 ,然后分析了奇异位形对机构精度、刚度的影响 ,定义了一种机构性能的度量指标 ,最后阐述了采用驱动冗余减小和消除奇异位形影响方法及效果     

平面三自由度冗余并联机构的驱动奇异性分析

分析了PRPR-2PRR、PRR-2PRR和4-PRR等三种平面冗余并联机构的驱动奇异位形，通过与平面3-PRR非冗余并联机构的比较，研究了采用不同机构冗余类型消除并联机构奇异位形的方法及其特点，为冗余并联机构的尺度综合、路径规划和控制提供了依据。     

基于Grassmann线几何的平面柔索驱动并联机构奇异分析

柔索驱动并联机构奇异的本质是部分柔索作用在操作末端的力旋量失效,基于此,将柔索对操作末端的作用定义为线矢量,利用Grassmann线几何方法对这些线矢量之间的线性相关性进行判断,从而可以判定柔索驱动并联机构是否处于奇异的位形,并得出平面柔索驱动机构在无奇异设计时必须要满足的几何条件。利用此线几何方法对几类机构的奇异进行判定,并根据平面无奇异的几何条件给出两种无奇异机构。对发生奇异的机构通过改变机构的尺寸或增加部分柔索等方法对机构进行改进,从而避免了机构的奇异。利用雅可比矩阵数值方法对机构改进前后的奇异性进行分析,结果表明改进后机构有效地消除了机构原有的奇异,也说明线几何方法分析柔索驱动并联机构奇异问题的适用性。     

3/6-SPS型Stewart并联机构奇异轨迹的性质识别

基于并联机构奇异位形产生的运动学原理，推导出3／6-SPS型Stewart机构奇异轨迹的解析表达式，并基于此原理提出了分析并联机构奇异位形的等效机构法，利用此方法推导出了3／6-SPS型Stewart机构处于一般姿态时在θ-平面上的奇异轨迹方程，并对其轨迹的性质进行了识别。研究结果表明，3／6-SPS型Stewart机构在相互平行的θ-平面上的奇异轨迹总是一二次多项式，包括四对相交直线、一条抛物线及双曲线束。在分析的基础上，对该并联机构处于各种姿态时的奇异轨迹的性质进行了总结。     

含冗余驱动的3-(2SPS)并联机构的轨迹规划与仿真

针对在三平动3-(2SPS)并联机构一条支链上附加冗余滑动,产生运动学反解多解性的问题,开展运动分析,研究运动控制的轨迹规划准则。以避开奇异位形为准则,实施轨迹规划并进行仿真。结果表明,附加冗余驱动可使机构工作空间成倍放大,且动平台能成功避开奇异位形。     

2-UPU-RRC并联机构及奇异位形分析

提出一种新型三平移三自由度空间并联机器人机构,进行机构运动输出特性分析及自由度计算,并建立2-UPU-RRC并联机器人机构的位置正、反解方程。得到该机构的奇异位形。该机构解耦性好,为系统控制提供了方便。     

新型2自由度并联平动机构构型及运动性能

基于3-UPU并联机构的奇异位形,提出了一种可绕圆周平移运动的新型平动机构,并利用该平动机构构造了两种姿态保持恒定的新型2自由度并联平动机构。分析了其中一种新型2自由度并联平动机构的位置正反解、速度雅克比矩阵。用无量纲参数建立该2自由度并联平动机构的尺寸型模型,该模型在有限区间内给出了2自由度并联平动机构所有可能的尺寸组合,模型空间中的任意一点代表具有相同或相似性能的同一族机构结构。基于2自由度并联平动机构的全条件数指标和尺寸型模型,绘制了反映尺寸参数组合与其运动性能关系的性能图谱。     

一种新型3-RPR并联机构及其运动学分析

提出了一种能实现沿Y、Z轴平移和绕X轴转动的3-RPR型三自由度并联机构,运用螺旋理论分析了该并联机构实现二维平移和一维转动的机构学原理,计算了机构自由度,进行了驱动输入选取与论证,并进行了奇异分析,提出了减少奇异的参数设计条件,运用多体系统运动学理论建立了运动学模型,研究了运动学正反求解,并进行了数值仿真验证,最后分析了机构的工作空间。该并联机构是一种支链完全相同的半对称并联机构,结构较为简单,是对2T1R并联机构的重要补充,可应用于工业装配机器人、姿态调节器、并联机床、工作台等领域。     

一种3-2-1正交布置的6自由度并联微动机器人分析

对一种 3 2 1正交布置的 6自由度并联微动机器人进行了分析。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 ,对速度和力传递的各向同性指标进行了分析。指出该并联微动机构可以产生 2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。     

基于微分几何的过驱动并联机器人驱动奇异性分析

运用微分几何方法对过驱动并联机器人驱动奇异性进行了分析。应用位形流形和环境流形上黎曼度量的投影关系,分析其驱动奇异性产生原因,进一步依据嵌入映射定义,提出用位形流形切空间的任一标架来代替雅可比矩阵分析驱动奇异性的方法,并利用矩阵秩的有关特性,给出分析驱动奇异性的简洁等价形式以避免矩阵乘积运算。与应用隐函数微分法相比,该方法避免多次求解逆矩阵,从而降低了计算的复杂性。最后,以平面2-DOF 过驱动并联机器人为例,说明上述理论是可行且有效的。     

基于运动/力传递特性的1T2R并联机构构型优选

1T2R三自由度并联机构具有1个移动自由度和2个转动自由度,应用十分广泛。如何从大量的1T2R三自由度并联机构构型中遴选出具有工程应用价值的机型,具有重要的实际意义。运用基于螺旋理论的运动/力传递性能指标对3-PRRU、2-PRU-PRRU和2-PRS-PRRU三种1T2R并联机构进行构型优选,这里P表示移动副,R表示转动副,U表示万向铰。根据三种机构的运动学反解建立输入运动螺旋、输出运动螺旋和分支力传递螺旋的解析式,计算出整个工作空间上的运动/力传递性能指标并绘制图谱。性能图谱显示三种1T2R并联机构都具有较好的运动/力传递特性,并且奇异边界相似,其中3-PRRU并联机构优质工作空间最大。     

Integrating mechanism synthesis and topological optimization technique for stiffness-oriented design of a three degrees-of-freedom flexure-based parallel mechanism

This paper introduces a new design approach to synthesize multiple degrees-of-freedom (DOF) flexure-based parallel mechanism (FPM). Termed as an integrated design approach, it is a systematic design methodology, which integrates both classical mechanism synthesis and modern topology optimization technique, to deliver an optimized multi-DOF FPM. This design approach is separated into two levels. At sub-chain level, a novel topology optimization technique, which uses the classical linkage mechanisms as DNA seeds, is used to synthesize the compliant joints or limbs. At configuration level, the optimal compliant joints are used to form the parallel limbs of the multi-DOF FPM and another stage of optimization was conducted to determine the optimal space distribution between these compliant joints so as to generate a multi-DOF FPM with optimized stiffness characteristic. In this paper, the design of a 3-DOF planar motion FPM was used to demonstrate the effectiveness and accuracy of this proposed design approach.     

2自由度高速高精度并联机器人的运动学优化设计

提出一种基于工作空间综合和灵巧度、速度和几何精度等性能指标分析的2自由度并联机器人运动学优化设计方法,构造一种由灵巧度、运动速度和运动分辨率等变量组合而成的工作空间全局评价指标。优化过程分为两步进行：首先以灵巧度、力传递特性和避免奇异位形的几何条件为约束,综合出具有良好特性的工作空间,在此基础上研究不同杆长比下实现目标工作空间所需的尺度参数;然后根据全局运动学性能评价指标从第一步的优化结果中遴选出最合适的杆长比,从而实现了对机构的几何尺度参数优化。并给出了算例以说明方法的有效性。     

6-SPS球平台并联机器人及其局部力和运动传递性能分析

提出一种6-SPS球平台6自由度正交并联机器人新机型,介绍其结构布局特点,对其局部力与运动传递性能及它们与机构几何参数关系进行分析,为其设计和实用化提供理论依据。分析结果表明,该球平台机构在正交位姿力和运动传递性能各向同性,特别适合于作为6自由度微动操作机器人和6维力传感器结构。