并联机器人设计理论及其关键应用技术研究

并联机器人采用了一种“知识密集”型并联机构,国际上公认并联机构的设计是较困难的热点问题．本文论述了国内外有关并联机器人研究的现状,讨论了并联机器人设计理论和创新方法以及在六维力传感器、六维鼠标、六自由度并联微操作机器人、五轴并联机床等方面的应用．本文对并联机器人研究有重要的理论与实际意义．     

一类新型空间并联机器人的构型设计与位置分析

突破了传统并联机器人结构创新设计的思维定势,提出了空间并联机器人构型创新设计的新思路,该设计思路主要包括三个步骤:根据具体设计需求选择合适的平面并联机构,并将其替代传统空间并联机器人的动平台;对选择出来的平面并联机器人进行必要的改进,使其满足并联机器人的一般性设计原则,然后选择适当的支路(或运动链)来连接动、静平台;对设计出来的结果进行分析、判断和优选,得到满足设计要求的新型并联机器人机构.并利用该方法提出了一类新型空间并联机器人机构,该机构具有运动学分析简单、控制方便等优点.     

并联机构运动学与奇异性研究进展

为了发展更多新型结构的并联机器人,克服传统并联机器人工作空间较小、奇异性与运动学正解分析复杂的缺点,针对并联机构运动支链结构形式,将并联机构分为杆支撑并联机构、绳牵引并联机构和钢带并联机构,并介绍了这3种并联机构的运动学原理.针对这3种并联机器人机构形式,从运动位置、工作空间、奇异位形3方面,对国内外并联机器人运动学与奇异性的研究现状进行详细的阐述.分析钢带并联机器人结构与驱动方式的特殊性,对钢带并联机器人在运动过程中由于钢带承载力有限导致失稳所带来的问题进行探讨.结果表明,并联机器人运动学与奇异性的理论研究方法还不成熟,需要从结构设计和理论2方面进行突破才能解决并联机器人发展的瓶颈问题,从而拓宽并联机器人的应用领域.     

基于单开链单元的三平移并联机器人机构型综合及分类

以单开链支路为单元,揭示了欠秩并联机器人机构结构组成的某些规律.提出了三平移输出并联机器人机构型综合的一种系统、有效的新方法.型综合共得到31个机构,并进行了分类.其中27个机构为本文首次给出.提出的三平移并联机器人机构型综合方法具有普遍性意义,并已用于其它运动输出类型的欠秩并联机器人机构的型综合.     

4-UPS-RPS并联机器人机构及其静力学分析

提出了一种4-UPS-RPS新型空间5自由度并联机器人机构.运用约束螺旋理论分析了4-UPS-RPS并联机器人机构实现3转动和2移动5个自由度运动的机构学原理, 计算其自由度, 分析其驱动输入选取的合理性.建立了4-UPS-RPS并联机器人机构的静力学平衡方程和静力传递矩阵, 以该机构作为并联机床的应用实例, 求解其静力学方程.该研究为并联机构的优化设计和运动规划提供了理论依据.     

由支链构造并联机器人雅可比矩阵

为获得并联机器人雅可比矩阵,以移动平台上两点速度关系为基础,推导出一种由各支链机构雅可比矩阵构造并联机器人机构雅可比矩阵的表达式.该方法可用于并联机器人机构或混联机构雅可比矩阵的自动运算,乘法运算次数比排除了柔性杆件的Monsarrat和Gosselin推出的并联机器人机构雅可比矩阵形式少.通过平面5R并联机器人机构算例验证了该方法的正确性.     

新型并联运动贴装机器人的研制

针对现有贴装机价格昂贵、机构刚度低、动力学响应慢等缺陷,提出并联运动贴装机器人的概念并进行研制.首先,采用自主发明的二滑块驱动解耦并联机构作为贴装机器人主机构,并进行了运动学性能分析;其次,进行了详细的机械结构设计,包括并联机构模块、贴装头模块、PCB板定位模块、供料器模块、传动模块等,并按贴装要求设计了气动回路以及控制系统;最后,研制了实物样机,进行了调试和贴装,表明并联运动贴装机器人运行可靠、高效、贴装精度能满足要求,具有较好的推广应用价值.     

一种新型具有三维移动自由度并联机器人运动学分析

基于以单开链为单元的并联机器人机构组成原理 ,设计构造了一种动平台能实现空间三维纯移动的并联机器人机构 ,进行了机构运动输出特性分析及运动确定性分析 ;给出了其位置分析的正、逆解析解 ,并分析了该机构的输入—输出运动解耦性     

一种2自由度平面并联机器人的精度分析

以一种2自由度平面并联机器人机构为对象,分析了该并联机器人机构的误差源,首先利用图解法得到该平面并联机器人机构的可达工作空间和有效工作空间,再利用环路增量法和误差分离技术导出了末端位置误差与误差源之间的映射关系,因而为其在工作空间内的位姿误差建立了数学模型,给出了这个平面并联机器人机构位姿误差的计算方法,从而对其进行精度分析,最后借助于搜索法得到了其在有效工作空间内的误差分布图像.     

平面并联机器人的运动及灵巧度分析

研究一种三自由度平面并联机器人的运动学求解,同时探讨了该机构灵巧度指标在工作空间内的分布规律、并联机器人的任务规划和控制意义,为该种平面并联机器人的进一步研究和实用化提供理论基础.     

新型三平移并联机构的工作空间和运动灵活度分析

文章通过位置逆解公式,描述了机构输入与输出速度关系的逆雅可比,对该并联机构作业空间和运动灵活性进行了分析,给出了一尺度参数下机构作业空间及运动灵活性的分布规律。分析表明,该机构具有几何形状规则的作业空间及较好的运动灵活性,是一种较为理想的能实现三维移动操作的并联机构选型,获得的结果可应用于该并联机构的设计之中。     

Dynamic modeling and analysis of 3-RRS parallel manipulator with flexible links

The dynamic modeling and solution of the 3-(R)RS spatial parallel manipulators with flexible links were investigated. Firstly, a new model of spatial flexible beam element was proposed, and the dynamic equations of elements and branches of the parallel manipulator were derived. Secondly, according to the kinematic coupling relationship between the moving platform and flexible links, the kinematic constraints of the flexible parallel manipulator were proposed. Thirdly, using the kinematic constraint equations and dynamic model of the moving platform, the overall system dynamic equations of the parallel manipulator were obtained by assembling the dynamic equations of branches. Furthermore, a few commonly used effective solutions of second-order differential equation system with variable coefficients were discussed. Newmark numerical method was used to solve the dynamic equations of the flexible parallel manipulator. Finally, the dynamic responses of the moving platform and driving torques of the 3-RRS parallel mechanism with flexible links were analyzed through numerical simulation. The results provide important information for analysis of dynamic performance, dynamics optimization design, dynamic simulation and control of the 3-RRS flexible parallel manipulator.     

六自由度并联机器人输出解耦控制

六自由度并联机器人是一个非线性多输入多输出系统,各自由度运动输出之间存在耦合.利用反馈线性化和PD控制,仅实现了平移运动间的解耦,而旋转运动之间仍然存在耦合作用.为实现并联机器人运动输出间的完全解耦,在反馈线性化控制的基础上,设计了一种新的解耦控制器,利用该控制器可以进一步实现并联机器人的旋转输出解耦,同时,给出了控制器解耦性能的仿真验证.     

三自由度球面并联机构的型综合

并联机器人的构型设计即型综合是并联机器人设计的首要环节,是机构创新设计的基础。以单开链支路为单元,提出了三自由度球面并联机构型综合的一种系统、有效的方法。按支路运动输出特征矩阵将三自由度球面并联机构分成四种情况分别进行构型综合,对每种情况给出了一个具体机构实     

三自由度SP＋SPR＋SPS并联机构的运动学和工作空间分析

提出了一种新型的SP＋SPR＋SPS三自由度并联机构。首先,分析了该机构的位置正、反解。其次,导出了该机构的Jabobian矩阵和Hessian矩阵,并求得了速度、加速度及静力学公式。再次,采用计算机辅助设计的变量几何法求解了该机构的工作空间。最后给出了该机构运动学的数值算例。     

新型三自由度并联机床及其运动学模型的建立

提出了一种可实三自由度平均的实用,新型并联机床机构,无需采用附加的平动机构,减少了干涉的可能。对其基础的运动学设计进行了研究,可用指导实际的样机制作。     

Simulink环境下的一种非对称并联机床运动静力学仿真

对一种新型非对称并联机床的运动静力学进行了仿真分析。简要介绍了该新型并联机床的结构组成,并在三维软件环境中建立了其模拟机构;以Simulink环境提供的SimMechanics工具箱为基础,分别设计了该新型非对称并联机床的运动学和静力学仿真方案,并给出了仿真实例。结果表明Simulink环境下的运动静力学仿真与实际运动状态相吻合,在并联机床分析设计过程中具有重要意义。     

Singularity-free path planning for parallel manipulator

Given a start pose and a goal pose, a large number of singularity-free poses are created randomly in the 6 dimensional task space, a short line segment is used to create a feasible path between two singularity-free poses. A well connected roadmap can be obtained and stored in the 6 dimension task space for a specific 6 DOF parallel manipulator in this way and a singularity-free path is queried to connect the start pose and the goal pose. So the singularity-free path planning between any two given poses for this parallel manipulator can be performed very efficiently. This singularity-free path planning method can be used with any type of parallel manipulator only if the matrix used can be given to define singularities.     

基于加权矩阵的过驱动并联机构驱动力矩调节法

建立了一种平面三自由度过驱动并联机构的运动学方程,并基于虚功原理和等效力方法得出了其动力学模型。分析了过驱动机构动力学方程逆解问题的特点,提出用一种新的优化目标(即加权范数最小方法)来协调分配驱动力矩。将驱动器的额定输出力矩与实际工作力矩之间的差值定义为该驱动器的继容力矩,在此基础上给出了加权系数的选择准则。根据所提出的局部调节或全局调节准则来选择加权系数可以调节相应驱动器输出力矩,在一定程度上可以均衡各驱动器的继容力矩。数值计算结果表明,该方法对于防止部分驱动器输出力矩过大和保证系统稳定有一定的作用。