1T2R3自由度并联机构拓扑结构综合

研究1T2R 3自由度UP和UPR-SPR型等效运动并联机构的拓扑结构综合方法。该方法借助虚拟链法综合思想,在分析UP和UPR-SPR虚拟链约束旋量系的基础上,以4、5自由度支链为机构分支运动链,揭示其运动副轴线需要满足的几何条件,由此得到多种含冗余驱动/过约束的新构型。在此基础上,提出采用在移动副两端配置若干转动副构造4、5自由度可重构支链来搭建各种1T2R 3自由度并联机构的可行方案。     

基于图谱法的新型运动分岔并联机构型综合

多模式并联机构在航空航天、机械加工、医疗康复等领域均极具应用前景,但目前能够实现多模式的运动分岔并联机构类型较少,绝大多数运动分岔并联机构中含有变自由度性质的RER支链,为此基于图谱法综合了一类新型运动分岔并联机构且机构中含有4类变自由度性质支链与已有的RER支链不同。首先基于图谱法以机构初始位置两瞬时转动自由度线非共面且相互垂直为例对2T1R运动分岔并联机构进行综合,随后将机构含有的URR支链中和定平台相连接的R副轴线方向改变,使其具有2R2T和3R1T两种自由度性质。将改进后的URR支链配置方案应用到部分4自由度和5自由度支链中,提出另外三类变自由度支链,每种类别支链分别有4、12、32种。以机构中含有4类不同变自由度性质的支链为分类依据,综合出四大类同时具有2T1R+2R1T两模式新型运动分岔并联机构,共包括12种子类别;以第4类变自由度支链为例,将其引入到并联机构中,通过图谱法综合出具有3T1R+2R2T两模式新型运动分岔并联机构。     

一种新型分岔并联机构的多自由度模式分析

提出一种全新的分岔单环闭链构型URRC,这种单环闭链具有两种自由度模式。将串联支链PRRP与分岔单环闭链组合成混联支链,利用3条混联支链连接动平台和定平台,得到了一种分岔并联机构。通过对单环闭链不同模式的组合,得到3T3R、3T、2R1TⅠ、2R1TⅡ、1R2T共5种自由度模式的并联机构,并用螺旋理论分析证明了分岔并联机构具有的5种自由度模式的正确性和驱动选取的合理性。     

无耦合完全各向同性1T1R并联机器人机构构型综合

基于螺旋理论对具有无耦合、完全各向同性特点的1T1R并联机构进行了构型综合,综合的并联机构采用支链独立驱动原则,即并联机构的输出运动是由独立的输入驱动提供的。首先根据期望1T1R并联机构的运动特征(沿Z轴的移动和绕Z轴的转动)和完全各向同性并联机构的正逆雅可比矩阵必为对角阵的要求,利用螺旋理论构造满足所期望形式的正逆雅可比矩阵;其次根据正逆雅可比矩阵所要满足的条件,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,据此可完成支链结构螺旋系的配置;最后根据约束螺旋理论依次取出两条支链连接动平台和定平台得到并联机构。通过这种方法得到大量无耦合完全各向同性1T1R并联机构。最后对综合出的一种并联机构进行了运动学分析,验证了构型方法的正确性。     

基于螺旋线矢力的一类三自由度对称并联机器人结构研究

针对二转动一平动(2R1T)三自由度并联机器人,基于螺旋理论,提出了可能的支链方案.分析了支链只存在单约束线矢力的情形,利用互易螺旋,得到支链运动副组合及其相应的设计原则.由于空间线矢力对转动与平动自由度都有影响,讨论了此类并联机器人自由度与约束线矢力空间分布之间的关系.综合支链运动副设计原则与机构设计所需线矢力空间分布,可得到符合实际应用的具有2R1T运动特征的并联机器人.通过对3-RPS三自由度并联机构的分析,具体说明了空间线矢力与并联机构自由度之间的相互影响.同时,此种机构综合方法也适用于其它少自由度并联机构构型的综合与优化设计.     

基于空间几何的无伴随运动并联机构分析与综合

一移动两转动(1T2R)三自由度并联机构普遍存在的伴随运动对机构的运动精度及性能有不利影响,为得到一系列1T2R无伴随运动的并联机构,利用空间几何理论及螺旋理论对无伴随运动并联机构进行分析与综合.基于空间几何理论分析了无伴随运动并联机构的转轴条件,结合螺旋理论分析了该类机构动平台平面与约束螺旋的空间位置关系,将至少拥有1T2R自由度的支链分成4类,分析[R]-型支链在不同支链布局下的约束螺旋位置及转轴位置对伴随运动的影响,从而给出了1T2R无伴随运动并联机构的构型准则及结构条件,并通过构型综合得到了105种无伴随运动并联机构.对一种新型2RPU-RPRU无伴随运动并联机构进行了运动学分析,验证了该方法的正确性.     

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。     

基于动平台铰接的概念设计一类含有螺旋副的并联机构

通过总结含有铰接动平台的并联机构的共同特点,提出含有铰接动平台的并联机构的一般拓扑布局。该拓扑布局将并联机构分成了基座、铰接动平台和一级支链等三部分。基于位移子群/子流形的基本理论,提出一种用于综合具有该拓扑布局的并联机构构型的方法。设计了数种含有螺旋副且可实现两转动自由度或三转动自由度的铰接动平台,并根据所提出的构型综合方法,综合设计了一类2R、2R2T和3R并联机构。结果表明,所综合的并联机构的部分构型可以实现多个方向的整周转动,同时也验证了该综合方法的有效性。结合具有虚拟转动中心的机构的设计要求,简要讨论了所综合的并联机构在此条件下的应用方法。     

基于图谱法的3平移并联机构型综合

三平移并联机构在工业制造、医疗、军工等领域有着广泛的应用,随着物流行业的快速发展,急需一种具有刚度高,控制简单,后期维护成本低等优点的三平移并联机构用于代替人力进行货物分拣。为此提出了一种以图谱法为基础的3平移并联机构型综合方法,运用图谱法中的线图等效原则,拓展出大量的分支等效自由度线图,为分支创新构型提供了基础。根据支链数量和支链所包含的约束数量,将分支选取方案分为7种,前四种方案能够综合出超过1 041³种分支数为3的新型3移动并联机构,后三种方案能够综合出超过1 041²种分支数为4的新型3移动并联机构。选取方案1、方案5、方案6作为例子综合了四个新型3移动并联机构,再对其中两个新机构用修正的K-G公式计算自由度并用螺旋理论验证自由度性质,验证了该新方法的正确性。该新方法综合出大量新机构,且这类新机构包含解耦或半解耦机构,计算和控制简单,具有重要的应用前景。     

消除内部奇异的三平移并联机构冗余驱动支链的综合

对三平移并联机构(3T并联机构),提出一种冗余驱动支链的综合方法。采用螺旋理论,分析出3T并联机构发生内部奇异的所有可能情况;根据螺旋系线性相关性和并联机构不发生奇异的条件,系统综合出能消除3T并联机构内部奇异的冗余驱动支链类型,并针对不同的支链约束螺旋系和自由度,分别给出相应的冗余驱动支链位置和条数;利用该方法对消除3-RRUR内部奇异的冗余支链进行综合。研究结果表明,该方法简单、有效并可消除3T并联机构内部奇异。     

速度子空间在3-PTT并联机构运动耦合分析中的应用

通过求解3-PTT并联机构各支链的螺旋系得到各支链的速度约束子空间。在机构采取不同的虎克铰安装角度时，根据各支链速度约束子空间的基分析了动平台的自由度及其输出速度分量之间的耦合情况，得到4种不同特性的3-PTT并联机构，其中两种连续机构，用ADAMS软件进行了仿真验证。此外还分析了3-PTT并联机构出现奇异位形的条件及相应位形时，机构丧失或增加的自由度。     

基于螺旋理论的2R2T四自由度并联机器人机构综合

基于螺旋理论，提出了2R2T四自由度并联机器人对称结构的一种设计方法；通过给定动平台的约束系统，采用螺旋理论和零空间方法，得到支链上所提供的基螺旋系；再经基螺旋系的组合．2R2T四自由度的一种新型的对称结构；分析了该机构的运动学性质。     

具有连续转轴的对称2R1T三自由度并联机构型综合

为综合出更多具有连续转轴的并联机构新机型,提出一种具有连续转轴的两转一移（2R1T）并联机构型综合新方法。运用螺旋理论,给出该类机构约束螺旋的空间布置,提出并联机构连续转轴的判别条件,确定分支运动副类型及空间位置关系。基于分支约束力与分支运动副之间的几何位置关系,证明了该类机构能够实现连续转动。利用该方法对具有平面上任意直线为连续转轴的对称两转一移并联机构进行综合,并仿真验证了研究结果的正确性。该综合方法简单、有效。     

基于李群的两种1R3T并联机构自由度分岔

运用李群理论对1R3T(R--转动自由度;T--移动自由度)并联机构自由度分岔特性进行分析.简要介绍李群理论应用于并联机构自由度分析所需理论基础,对2-~xP~yR~yR~xR~xR/~yP~xR~xR~yR~yR并联机构和2-~xP~yR~uP~xR~xR/~yP~xR~vP~yR~yR并联机构进行自由度分析,通过对分支运动链产生的位移流形及所有分支位移流形的交集分析,证明这两种并联机构具有自由度分岔特性,其动平台的位移集合为{X(x)}∪{X(y)},进而得到具有自由度分岔特性的1R3T并联机构的分支位移流形为{G(x)}{G(y)}或{X(x)}{R(N,y)},同时给出机构的结构几何条件.当动平台平行于定平台时,该类机构处于奇异位形,此时动平台具有5瞬时自由度,机构的自由度分岔通过这一奇异位形实现,需要5个驱动器实现动平台运动的完全可控.     

2-UPR-SPR并联机构转轴分析

两转一移(2R1T)并联机构转动自由度的轴线包括瞬时转轴和连续转轴。转轴的性质和在空间的分布对2R1T并联机构的轨迹规划和运动学标定等具有重要意义,尤其是在对末端姿态能力要求高的应用如五轴数控加工中更为重要。五自由度Exechon混联加工中心被广泛应用于高端制造业,其由属于2R1T并联机构的2-UPR-SPR并联机构和RR串联机构组成。运用螺旋理论,建立2-UPR-SPR并联机构在初始位形、动平台发生单自由度连续转动后的位形、动平台发生两自由度连续转动后位形下的各分支运动螺旋系和约束螺旋系。根据刚体转轴与约束力作用的关系,确定了动平台的两条连续转轴,这两条转轴的方向与机构位形相关,且分别过参考坐标系原点和球铰中心点。     

六坐标位姿测量机的设计与研究

该测量机构由串联位置测量机构和并联姿态测量机构组成,具有较大的工作空间和较高的测量精度。机构中设置了一个冗余自由度和重力平衡装置,从而具有很好的灵活性。通过机构综合的方法,合理设计并联姿态测量机构,克服了并联机构正解的困难,使得姿态测量参数存在显式解,从而被测物体的六个坐标参数可以实时显示。由作图法得出机构工作空间。误差建模分析了机构的测量误差,并针对并联姿态测量机构测量误差最小作为目标函数优化了机构运动学设计参数。     

Synthesis of branched chains with actuation redundancy for eliminating interior singularities of 3T1R parallel mechanisms

Although it is common to eliminate the singularity of parallel mechanism by adding the branched chain with actuation redundancy, there is no theory and method for the configuration synthesis of the branched chain with actuation redundancy in parallel mechanism. Branched chains with actuation redundancy are synthesized for eliminating interior singularity of 3-translational and 1- rotational(3T1R) parallel mechanisms. Guided by the discriminance method of hybrid screw group according to Grassmann line geometry, all the possibilities are listed for the occurrence of interior singularities in 3T1R parallel mechanism. Based on the linear relevance of screw system and the principles of eliminating parallel mechanism singularity with actuation redundancy, different types of branched chains with actuation redundancy are synthesized systematically to indicate the layout and the number of the branched chainsinterior with actuation redundancy. A general method is proposed for the configuration synthesis of the branched chains with actuation redundancy of the redundant parallel mechanism, and it builds a solid foundation for the subsequent performance optimization of the redundant actuation parallel mechanism.     

Design and analysis of a class of redundant collaborative manipulators with 2D large rotational angles

The parallel spindle heads with high rotational capability are demanded in the area of multi-axis machine tools and 3D printers. This paper focuses on designing a class of 2R1T (R: Rotation; T: Translation) parallel spindle heads and the corresponding collaborative 5-axis manipulators with 2-dimension (2D) large rotational angles. In order to construct 2D rotational degrees of freedom (DOFs), a platform with 2D revolute joints is proposed first. Based on the constraint screw theory, the feasible limbs that can be connected in the platform are synthesized. In order to provide constant rotational axis for the platform, a class of redundant limbs are designed. A class of redundant 2R1T parallel spindle heads is obtained by connecting the redundant limbs with the platform and the redundant characteristics are verified by the modified Grübler-Kutzbach criterion. The corresponding 5-axis collaborative manipulators are presented by constructing a 2-DOF series translational bottom moving platform. The inverse kinematics and the orientation workspace as well as the decoupling characteristics of this type of 2R1T parallel spindle heads are analyzed. The results show that these manipulators have large 2D rotational angles than the traditional A3/Z3 heads and can be potentially used in the application of multi-axis machine tools and the 3D printers.     

基于螺旋理论的3T1R完全解耦并联机构型综合

利用螺旋理论和独立驱动原则对3T1R类完全解耦并联机构进行型综合。首先根据期望3T1R完全解耦并联机构的运动特征(沿X、Y、Z轴方向的移动和绕Z轴方向的转动)和完全解耦并联机构的正逆雅可比矩阵必为对角阵的要求,利用螺旋理论来构造满足所期望形式的正逆雅可比矩阵;然后根据正逆雅可比矩阵所要满足的条件,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,可以配置支链的所有可能构型;最后根据并联机构运动原理依次取出四条支链连接动平台和定平台得到3T1R完全解耦并联机构。综合的并联机构的输出运动是由支链上独立的输入驱动提供的,且机构的正逆雅可比矩阵在运动过程中始终保持为对角阵,所以属于完全解耦并联机构,此类机构控制简单,具有一定的应用前景。