一种少自由度并联机构静刚度研究

并联机构,尤其是用于机加工的并联机床都需要很高的刚度要求,因此建立其刚度模型就显得尤为重要。现有的刚度建模方法多是基于集中刚度模型,但是该方法的物理意义不够明确。基于螺旋理论建立了一种少自由度并联机构的刚度模型,该方法将驱动刚度和约束刚度区别对待,物理意义明确。通过计算并联机构空间自由度,并利用螺旋方程的反螺旋解法,得出并联机构的运动雅可比矩阵和约束雅可比矩阵,经组合得到少自由度并联机构的完全雅可比矩阵,从而建立了其静刚度模型。建立的静刚度模型可以作为少自由度并联机构的性能评价指标,同时又可以为分析其他过约束的少自由度并联机构提供理论支持。     

(2PRR)~2+R平面并联机构的刚度与固有频率

基于两移动一转动三自由度平面并联机构构造了一种新型五自由度串并混联机器人并对其并联部分,一具有运动冗余和驱动冗余两种不同模式的平面并联机构(2PRR)~2+R进行了运动学分析。首先,建立了三自由度平面并联机构的运动学模型,基于机构的运动学模型推导得到了冗余和非冗余驱动并联机构的刚度矩阵,并且通过求取并联机构各组成构件的等效质量,得到并联机构的质量矩阵;然后,借助系统刚度矩阵和质量矩阵建立的并联机构动力学方程,求得了机构的固有频率方程;最后,通过数值仿真对冗余和非冗余驱动并联机构的刚度及固有频率进行对比分析。结果显示:冗余驱动分支对机构绕Z轴方向角刚度和系统的一阶固有频率均值影响最大,其增幅分别为88.46%和31.50%;对X轴方向的线刚度和系统的二阶固有频率均值影响最小,其增幅分别为52.34%和1.90%。因此,冗余驱动分支有助于提高并联机构的整体刚度,改善机构的动态性能。     

一种含复合球副4-dof并联机构运动学研究

设计了一种新型含复合球副4-dof并联机构,求解了该机构的自由度。根据机构的结构特点,基于矢量法分析了该并联机构中各构件的运动。针对少自由度并联机构部分驱动分支中存在的约束力/矩,利用观察法判断这种并联机构中存在的约束力/矩。基于约束力/矩建立了此类机构的Jacobean矩阵,并推导了机构的Hessian矩阵,建立了含复合球副4-dof自由度并联机构的运动学模型。利用先进CAD软件对机构的运动学模型进行了验证。为含复合球副少自由度并联机构动力学分析和刚度分析奠定了基础。     

求解3-RPS并联机构刚度的新方法

对于少自由度机构来说,由于结构约束的存在,机构中出现了约束反力,约束反力会在机构中产生变形,影响整个机构的精度,在机构分析中必须加以考虑。基于此,以传统的3-RPS并联机构为例,给出考虑约束反力产生变形的刚度模型的建立方法。首先,用观察法分析该机构中存在的约束反力。其次,建立该机构的6×6形式雅可比矩阵,并运用虚功原理建立该机构的静力学模型。最后,分析机构在驱动力和约束力共同作用下产生的弹性变形。在约束反力产生的变形方向上虚设P副,将3-RPS机构的变形和刚度分析转化为一个等效的无约束反力的6自由度并联机构3-RPPS的变形和刚度分析。这种方法给少自由度机构的研究提供了一些新观点。     

Tricept机械手静刚度解析建模方法

以Tricept机械手的3自由度球坐标型并联机构为例,提出含恰约束支链的球坐标型并联构型装备静刚度解析建模方法。该方法首先借助子结构综合思想将末端执行器位姿变形分解为无约束主动支链的拉压变形、恰约束支链的弯曲变形及其扭转变形3个部分,然后利用虚功原理和结构矩阵法建立各子结构系统的静柔度模型,最后借助线性叠加原理组集整机末端静柔度模型。在建模过程中,侧重研究恰约束支链弯曲刚度以及铰链刚度的建模方法。在此基础上,考察了Tricept机械手中3自由度并联机构静刚度在工作空间中的变化规律,并借助全局性能指标评价了主要构件柔度对整机柔度的贡献。     

一种新型5自由度并联机构刚度分析

提出了一种新型含平面分支的少自由度并联机构。建立了该并联机构的虚拟样机模型,并分析了机构的自由度及结构特点。通过对平面闭环分支及约束分支的速度解析,推导了机构的6×6的雅克比矩阵。综合考虑了平面分支中上、下横梁的弹性变形及SPR分支中约束力作用下的弹性变形对并联机构刚度的影响,建立了该机构的整体刚度矩阵。将理论解析解与软件Solidworks Simulation的仿真结果对比,验证了所建刚度模型的正确性,为含平面分支少自由度并联机构的开发和应用提供了理论基础。     

SPS+SP+SPR并联机构的静刚度分析

以少自由度SPS+SP+SPR并联机构为例,分析了结构模型中各支链的驱动力和约束反力,建立了SPS+SP+SPR并联机构的全雅可比矩阵。考虑约束反力对机构的影响,依据虚功原理及胡克定律推导了该机构的动平台位姿变形量与外负载的关系,得到了机构的全刚度模型。定义了局部刚度性能评价指标与全局刚度性能评价指标,分析了主要结构参数与全局刚度性能评价指标的变化规律,为该机构的详细结构参数设计奠定了基础,同时该方法对于其他少自由度并联机构刚度的分析具有借鉴意义。     

新型过约束2-UPS+2-RPU并联机构的刚度分析

提出一种新型过约束2-UPS+2-RPU并联机构,该机构的2个RPU分支一共提供了4个约束,但由于机构运动副的特殊布置,其中的2个约束为过约束。首先,基于螺旋理论分析该机构中存在的约束反力,建立该机构的速度约束方程,并基于此分析该机构的自由度。其次,建立该机构的几何约束方程,利用解析矢量法求得机构位置逆解方程。随后,基于计算杆件变形方法及小变形叠加原理,分析各杆在支链约束力螺旋作用下产生的弹性变形,并定义了分支约束力螺旋系刚度矩阵。最后,建立机构的动平台位姿变化与外载荷关系,进而得到机构的整体柔度、刚度矩阵。得出约束力/矩对这类少自由过约束机构的刚度和变形影响很大且其弹性变形主要产生在约束力/矩轴线方向。     

空间2自由度冗余驱动并联机构运动学性能分析

面向建筑机器人领域的高性能机械臂需求,提出了一种空间2旋转自由度的3-UPS&U冗余驱动并联机构。基于螺旋理论和修正的G-K公式对机构的整体自由度进行分析,确定了其围绕恰约束支链万向副旋转的运动特性。建立驱动参数与末端参数之间的映射关系,得到其工作空间模型。通过主驱动并联、从动约束串联的独立建模,构造了该并联机构完整的广义雅可比矩阵,进一步得到动平台末端中心点线速度与驱动关节速度之间的无量纲化雅可比矩阵,并据此建立了特定工作空间下机构的灵巧度、承载能力和刚度性能评价指标。最后结果表明,3-UPS&U冗余驱动并联机构进行较高频次上下摆动作业时,在约束支链所布置的对应转轴方向上,具有更佳的综合运动学性能,且能大大降低性能衰减的幅度。     

新型六自由度冗余混联机床运动学模型

提出了一种以新型三自由度冗余驱动并联机构4-PRP作为定位模块,串联上三自由度并联机构3-UPSPU来共同实现六自由度运动的新型混联机床的机构设计方案。首先,运用螺旋理论分析了该机床实现3T3R运动原理,计算出该机构的自由度。然后,利用解析矢量法及几何关系建立机构位置逆解方程,运用影响系数法建立了一阶运动影响系数矩阵—Jacobian矩阵和二阶影响系数矩阵—Hessian矩阵,建立了完整的运动学模型。最后,应用MATLAB对逆解方程进行求解并利用ADAMS对求解结果进行仿真验证,验证了运动学模型的正确性及机构的可行性。     

冗余驱动支链对3RPS并联机构刚度的改善

在考虑雅可比矩阵变化与动平台姿态偏移之间映射关系的基础上,基于螺旋理论和矢量微分法建立了3RPS并联机构末端位姿偏移与支链构件变形之间的映射模型。首先采用螺旋理论和矢量微分法分析了支链各构件刚度与整个支链刚度之间的关系,然后建立了3RPS并联机构的瞬时刚度模型,并分析了雅可比矩阵的变化对机构刚度的影响。对冗余驱动支链改善并联机构刚度的原理进行了分析,建立了冗余驱动并联机构的整机刚度模型。仿真分析和实验验证,冗余驱动支链确实能够改善并联机构的刚度。     

基于约束函数的空间机构邻接矩阵描述与分析

针对目前空间机构结构描述和分析方法存在的不足,提出了基于约束函数和邻接矩阵的新方法。根据空间机构运动副的约束特征,定义了向量形式的空间机构运动副特征参数——约束函数及以约束函数为元素的空间机构特征参数矩阵——运动链邻接矩阵;分析了约束函数的性质;运用运动副约束函数和运动链邻接矩阵对空间机构的拓扑结构进行了描述和分析。结果表明,运动副约束函数适用于包括变拓扑结构的各类运动副,能综合描述运动副类型、级别、自由度、方位、性质等信息及其变化的情况;运动链邻接矩阵适用于各类机构的非瞬时描述与分析,能广泛描述运动链的构件数、运动副数目、类型、级别、方位、性质、机构类别、自由度、空间布局等诸多信息;示例证明了约束函数和邻接矩阵描述分析空间机构的直观性、有效性和简便性。基于约束函数和邻接矩阵的解决方案为空间机构的描述和分析提供了一种新的途径和方法。     

弹性铰平面闭环六杆机构刚度特性研究

为研究弹性铰平面闭环六杆机构的刚度特性,运用影响系数法求解了闭环机构的Joeabian矩阵和Hessian矩阵,借助虚功原理同时考虑主动、被动铰链弹性变形,建立了机构约束方程,推导出机构的刚度矩阵。结合刚度矩阵的瑞利商定义了刚度判定指标K,绘制出刚度性能空间图,进一步研究了操作端方向的刚度特性。     

3-RRR平面并联机构刚度分析

刚度是并联机构重要性能指标,为了评价并联机构刚度,提出了一种刚度评价方法.基于3-RRR机构的逆运动学模型,推导出其雅可比矩阵.在力雅可比矩阵的基础上,给出了刚度评价指标,该指标不仅适用于3-RRR并联机构,而且可以应用于其它并联机构.将提出的刚度指标应用于3-RRR并联机构,数值仿真结果表明3-RRR机构在工作空间中具有对称的刚性.     

空间单环RPSC机构的运动和奇异分析

单环机构又称单闭链机构,这类机构运动巧妙,在诸多领域有着广泛应用。另外,在工程实际中还常常在开链机构中加入局部闭链以改善动力学性能,增加结构刚度等。介绍一种能够实现垂直Darboux运动(Vertical Darboux motion,VDM)的空间单环RPSC机构,运用螺旋理论对其约束及运动性质进行分析。通过对锁住其驱动关节后的等价机构进行约束分析,确定了该机构的一类特殊驱动奇异,并借助相对直观的几何方法对RPSC机构中存在的这种奇异位形做进一步解释与说明。对机构中RPS分支的主要特点进行概括,并由特殊到一般地提出了一类具有相似特性的单环机构。     

3-UPS/S并联机构运动学分析及机构优化设计

对3-UPS/S并联机构进行了运动学分析和静力学分析,得到了该机构的运动雅可比矩阵和静力学雅可比矩阵;采用离散的方法对该机构的工作空间进行了分析;对该机构进行了基于给定工作空间的尺寸参数优化,在优化的过程中考虑了机构的奇异性、关节约束和机构几何尺寸约束等条件.     

4自由度非全对称并联机构的完整雅可比矩阵

少自由度并联机构完整雅可比矩阵为6x6矩阵,包括运动子矩阵和约束子矩阵两部分,由于前者的代数特征不能反映出机构的约束特性,在对此类机构进行运动学分析和几何参数优化设计时,必须建立完整的6x6雅可比矩阵.鉴于此,基于对偶螺旋理论,以4自由度机构2RPS-2UPS为例,给出非全对称少自由度并联机构完整雅可比矩阵的推导方法.首先,根据螺旋理论推导约束支链中的运动螺旋系和反螺旋系,并利用互易积获得约束子矩阵.其次,锁定每个支链中的主动关节,根据螺旋理论计算约束支链和全运动支链中新增反螺旋系,并利用互易积建立运动子矩阵.将约束子矩阵和运动子矩阵联立建立机构完整雅可比矩阵.最后,分析雅可比矩阵的秩,得到2RPS-2UPS并联机构产生奇异位形的条件.     

三自由度3-RPS并联机器人机构的运动分析

讨论了具有三自由度的３－ＲＰＳ并联机器人机构的运动分析。在这种机构操作器平台的六个运动位姿参数中，只有三个是独立的，而其它三个参数不是独立的。因此，这种机构的雅可比矩阵是一长方阵，这就是这种机构的运动分析的难点所在。本文根据这种机构的结构特点，给出了操作平台的输出运动参数的三个运动约束方程，并且建立了三个独立输出运动参数和三个独立运动输入参数之间的速度和加速度关系的显式数学模型，为这种机构的运动分析提供了简便有效的数学工具     

解耦球面转动并联机构的运动分析与验证

详细分析了一种解耦球面转动并联机构的运动特性,利用速度关系证明该机构具有3个完全解耦的转动自由度,并具有工作空间大、刚度均匀一致、误差分布全局各向同性的优点.针对机构约束冗余的不足,进一步提出了避免过约束的改进机型.     

一种新型3自由度大行程微定位平台设计与分析

为解决微定位平台大行程与高精度之间的矛盾,提出一种新型的3自由度柔性并联机构。该机构三条支链采用特殊方式与动平台相连,使整体机构结构紧凑且具有良好的力学传递性能。同时,机构采用行程大,分辨率高,便于控制的电磁驱动器作为驱动部件,保证机构在不需要引入放大机构的前提下便可获得较大的行程和较高的分辨率。使用大行程柔性铰链代替普通的球铰,降低了加工制造难度和机构刚度模型的求解难度。采用螺旋理论分析了3-P(4S)并联机构末端运动特征,结合单元刚度矩阵法和矩阵位移法推导了3-P(4S)柔性并联机构的静刚度模型,并采用ANSYS进行了分析验证。