并联3-2-1结构新型微操作手及其承载能力分析

以并联6-PSS 3维平台机构为原形，用柔性铰链替代球铰，用柔性框架替代直线移动副，设计了一种新颖的并联3-2-1结构的6自由度微操作手。介绍其结构特点，推导出输入输出微位移方程并对其承载能力进行分析，为其设计和使用提供理论依据。这种微操作手具有分辨率高，微位移解耦，算法和控制简单等优点。     

并联微操作手的运动学分析

对６自由度并联微操作手的运动学进行了深入研究。此操作手是一个６－６型、ＰＳＳ副、带柔性铰且由压电驱动的微动并联平台。针对其微动特性,利用摄动旋转齐次变换矩阵,建立了并联微操作手的运动学方程,导出输入、输出位移的雅可比矩阵。该矩阵在整个微小运动范围内,可近似为常数阵。最后用计算机仿真分析了引入常雅可比矩阵的微操作手运动误差,结论证明了简化的合理性和有效性。     

并联微操作手运动空间分析

工作空间分析是设计微操作手的一个重要因素。对微操作手的定姿态工作空间和不定姿态工作空间进行研究：对定姿态工作空间采用一维搜索法求得边界点;对不定姿态工作空间,利用微操作手的微动特性,使用Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ法求得工作空间的边界曲面。用实例进行仿真计算,同时考察结构参数对工作空间的影响,得到一些规律性的变化关系,结果可以指导微操作手实际结构参数的确定。     

微机器人中用细钢丝替代球铰链的定位误差

设计的双指微动操作手的本体是基于并联机构的微机器人，其工作盘上装有针状手指。微机器人的传动支接采用柔性铰链微位移放大机构，并用细钢丝代替球铰链。讨论了柔性铰链的定位误差，建立了用细钢丝代替球铰链的设差模型，借助于柔性铰链相对于理想运动轨迹的偏离曲线，对由此引起的定位误差进行了分析计算。     

基于伪刚体模型的柔性铰链机构自由度分析

柔性机构经过20多年的发展,已成为现代机构学中的重要分支,并在精密工程、机器人等领域得到了广泛应用.柔性机构是一种利用材料的弹性变形来传递运动、力或能量的新型机构.由于柔性元素的引入,柔性机构中构件和运动副数目往往无法严格区分,导致其自由度和刚体机构的自由度不同,甚至带有一定的模糊性.基于伪刚体模型,给出了柔性机构的两...     

3自由度柔性微机器人的静刚度分析

柔性微机器人要求具有很高的定位精度，而其静刚度在很大程度上决定着这一指标。针对目前对柔性微机器人静刚度分析中存在的不足，采用了结构分析中的柔度矩阵法：首先建立起机构中柔性单元的柔度模型，同时通过不同坐标系间的转换和单元节点处位移协调方程和力平衡方程的建立，递推出机器人末端相对参考坐标系下的静刚度矩阵。最后，以3自由度并联柔性微机器人为实例分析了该机器人的静刚度。分析表明：利用柔度矩阵法分析柔性微机器人运动学问题不仅便于计算，更接近柔性机构的本质。     

平面3自由度柔性铰链并联机器人的平衡构形

研究一个平面3自由度柔性铰链并联机器人的平均构形问题。通过逆静力分析得出了一个4变量耦合的三角函数超越方程组,讨论了并联机器人的初始装配构形,基于牛顿迭代法提出了一个数值算法,无需选取初值可求出三角函数超越方程组在指定区间内的全部实数解,得到了柔性铰链并联机器人的所有初始装配构形和在外载荷作用下的平衡构形。最后给出了数值实例。     

复合型柔性铰链机构特性及其应用研究

复合型柔性铰链是目前在精密机械中广泛应用的一种新型铰链形式,可作为全柔性和部分柔性机构,应用于存储释放能量以及高频振动等场合.本文概括了复合型柔性铰链的特点,对直梁型、圆弧型和复合型柔性铰链作了分析比较,并采用自由度计算公式,对刚性机构、基于复合型柔性铰链的部分柔性机构和全柔性机构进行了自由度分析,以探讨它们的机构能力和可控性.最后介绍了复合型柔性铰链在微机器人的应用,包括仿生扑翼机构的研制和实验.     

六自由度微位移定位平台的设计与试验

压电叠堆与柔性机构构成了微位移的基本形式,其行程与精度、输出力的矛盾需要结合应用要求对结构进行综合设计。针对所构建的超精密加工工具对六自由度微位移的需求,提出了一种以压电叠堆作为驱动元件,以柔性铰链和楔形机构作为传动机构的空间六自由度微位移定位平台。由于压电叠堆需要一定的预紧力才能发挥其微位移精度和输出力的优势,通过静力分析,得出了微位移平台各个自由度驱动力和位移输出关系的表达式及刚度表达式,对结构进行了优化。试验表明,各自由度的行程与分辨率如下:x,y,z方向的最大位移分别为7.48,8.33和4.14μm,分辨率为0.01μm;沿θ_x,θ_y,θ_z方向的最大旋转角度均为0.13°,分辨率为0.01°,满足所构建的超精密加工工具定位的精度要求。试验获得了微位移定位平台的激励电压与各自由度位移输出曲线,为平台的运动、定位控制提供了依据,也为柔性铰链机构和楔形机构在其他结构中的应用提供了理论依据和试验基础。     

微位移放大机构的分析与计算

基于力学理论提出一种通用的柔性铰链柔度的计算方法,适用于各种切口形状的单轴和多轴柔性铰链的设计计算。推导出直圆柔性铰链在平面受力状态下的柔度计算公式,并分析了直圆柔性铰链结构参数与性能的关系。分析一种微位移放大机构的结构与工作原理,推导出微位移放大机构获得较大输出位移时,机构中两直圆柔性铰链结构参数应满足的关系,计算结果表明本文方法正确有效。     

纳米级精度柔性机器人的设计方法及实现研究

从材料、几何结构、柔性铰链、驱动器、运动与负载及加工等几个方面总结了面向精密作业的柔性机器人设计准则。对柔性机器人的设计方法进行了探讨。以精密作业中的具体应用为例，依据这些设计方法与准则，从机械本体和驱动器控制2个方面详细描述了可实现纳米级精度的3自由度柔性机器人样机设计的具体实现过程，设计结果满足任务要求。     

三轴六动机构的PLC控制

为解决因大型空间网架结构各类节点装配时手工焊接精度难以保证而影响空间网架结构内力分布等问题,将可编程控制器(PLC)控制技术应用到三轴六动机构的控制中.开展了节点与支托在网架结构中的空间位置分析,提出了采用SFC流程步进指令与功能指令设计手控、自动返回原点、自动运行等程序控制脉冲频率与脉冲数来驱动机构的运行,依靠可编程控制器(PLC)控制机构绕各自轴转动与平动以调整网架结构节点与支托靠模空间相对位置,从而保证各类节点焊接组装精度的方法.在模拟设备上对PLC控制下的三轴六动机构进行了评价,并进行了空间网架结构焊接组装精度试验.研究结果表明,PLC应用在三轴六动机构的运行控制上,能够充分发挥其系统配置灵活、安装操作简单等突出优点,解决了网架钢结构节点空间定位难等问题.     

自由度描述与装配约束图求解方法的研究

对几何基本图元进行配合时的约束产生的自由度空间进行了分析,特别是对于距离约束产生的复杂自由度空间进行了描述,给出了自由度空间的数据定义,使得复杂自由度和简单自由度能够统一表达;针对多个约束形成的约束图,将可能出现的闭环约束自动转化为近似闭环约束进行求解,进而采用迂回和递归求解的算法对近似闭环约束进行求解,为闭环约束求解提供了一种思路.     

3DOF并联机构的分析

提出一种新型三平移三自由度空间并联机器人机构,对此机构的运动输出特性进行了分析,建立了机构的方位特征集,计算其自由度,分析了机构的耦合度及输入的合理性,建立了并联机器人机构运动学模型,该机构是一种较理想的能实现三平移并联机构的选型。     

消极运动副的产生原因及判定方法

消极运动副存在的根本原因是它的运动螺旋与并联机构中其他运动副的运动螺旋线性无关。通过几个实例对此原因进行了比较深入的剖析,在此基础上,提出了一种基于旋量理论的消极运动副的判定方法,该方法无需计算运动螺旋的具体数值。     

基于激光测振的转动自由度模态识别方法

提出了一种基于多普勒激光测振技术的转动自由度模态振型测试与识别方法。首先,利用多普勒激光测振技术测量试验结构上各测点及其相邻点的平动自由度同步时域响应; 其次,通过差分法计算测点转动自由度时域响应以得到频响函数; 最后,对平动与转动自由度频响函数进行模态分析,即可获取各测点的平动与转动振型。通过对平板的试验分析,验证了基于多普勒激光测振技术进行转动自由度模态振型识别的可行性和准确性,为转动自由度模态振型的测试与识别提供了一种有效的解决方案。     

Manufacturing error analysis of compliant 3-DOF microrobot

In the fields of micro/nanopositioning application, error analysis is an effective way to enhance the precision of micromanipulators. Manufacturing imperfections, which are inevitable, are the most important factors influencing the accuracy. Therefore, various manufacturing imperfections were studied by taking a planar 3 degrees of freedom (3-DOF) flexure hinge-based microrobot as a case. By formulating static stiffness of the robot, mapping between manufacturing imperfections and end-effector positioning accuracy was obtained. Using the theoretical calculation and finite element method (FEM), effects of various machining imperfection types on end-effector positioning accuracy were evaluated. The results showed that errors of the radium of the hinges and angular differences of the centerline of the hinges were dominant factors resulting in output errors. Conclusions drawn from the experiments can be used to instruct the design of compliant parallel mechanisms by distributing various manufacturing differences of configurable parameters to guarantee precision in the positioning of the end-effector within the required range; they may also be helpful while calibrating this kind of manipulator. __________ Translated from Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2005, 31(7) (in Chinese)