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。       

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。     

冗余驱动消除并联机构位形奇异原理

一般并联机构的雅可比矩阵都是方阵，而冗余驱动并联机构由于输入构件数大于输出构件自由度数，其雅可比矩阵具有非方阵的特殊性。传统的观点认为冗余驱动能够消除奇异，但是没有给出严格的数学意义上的证明和构造冗余驱动的具体方法。从可操作度的角度研究了冗余驱动并联机构的奇异性，最终给出了判别方法。用数学方法证明了冗余驱动可以消除奇异位形，并通过实例给出了具体的构造方法。     

并联机构驱动奇异的分层递阶滑模控制方法

以提高奇异鲁棒稳定性、控制精确性和降低控制能耗为目标,研究了并联机构的驱动奇异运动控制。以3-RPR型并联机构为例,运用螺旋理论和多刚体动力学理论进行了运动学分析和动力学建模;分别采用基于分层递阶结构的滑模控制方法和基于伪逆的滑模控制方法设计了运动控制器,对工作空间内不同的典型奇异位置进行了镇定控制仿真。结果表明,这两种控制方法均可达到较高的控制精度和较快的响应速度,且前者控制输入量更小、能耗更低。     

空间3-RPS并联机构工作空间与奇异位形分析

从空间3-RPS并联机构约束得到动平台位置坐标和姿态角之间的耦合关系,由此导出工作空间边界的解析式。用运动螺旋描述由运动关节连接的构件之间的相对运动,利用反螺旋的性质,得到分支运动螺旋系的反螺旋,它代表了分支对动平台的结构约束力。进而将机构发生奇异的条件转化为分析动平台运动螺旋系和约束螺旋系线性相关的条件,自然地将机构的奇异位形划分为运动学奇异和约束奇异,给出了两种奇异对机构性能影响的物理本质,并导出奇异位形的解析表达式。实例给出了奇异位形在工作空间的分布特征和对工作空间的分割状况。     

并联机构的奇异点分析

采用微分几何的方法详细分析了并联机构三种类型奇异点、即位形空间奇异点，驱动奇异点和末端执行器奇异点的数学定义、物理意义以及它们之间的相互关系，并采用具体的并联机构实例来解释说明。     

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。     

新型三平移并联机构及其奇异位形分析

根据并联机器人机构结构综合理论,以单开链支路为单元,提出了一种能实现空间三维移动的3-PRRR并联机构.对该并联机构的自由度、虚约束和耦合度等结构性能参数进行了计算,分析了该机构的运动特性和运动学正反解,得到了该机构的奇异位形.该机构在结构上具有较好的对称性和解耦性.     

并联机构工作空间与奇异位形分析

以几何分析的方法建立平面三自由度并联机构工作空间与结构参数的关系,研究了工作空间的形状随结构参数的变化,提出机构满足运动可能性的条件。将机构对工作空间的要求看作是对结构参数的几何约束,进行优化设计,既满足了机构对工作空间的要求,又兼顾了机构的其他性能要求。依据机构逆向运动学建立的位置和速度关系,以机构满足几何约束为准则,探索了机构整个位形工作空间,从几何角度分析了机构产生奇异位形的原因,研究了奇异位形在工作空间的分布和对工作空间的分割情况,提出确定机构无奇异位形工作空间的方法。     

并联机构中奇异位形的分类与判定

基于拓扑学和微分几何等数学工具研究并联机构位形空间的拓扑几何性质,并据此对并联机构中存在的奇异位形进行分类,揭示了各种奇异位形的不同物理意义,同时给出了不同奇异位形的计算方法。该方法适用于一般并联机构的奇异位形计算。最后对几种典型并联机构的奇异性进行了分析。     

基于螺旋理论对少自由度并联机器人约束链的研究

螺旋理论是分析少自由度机构运动学的有力工具。本文基于螺旋理论对少自由度并联机器人的机构构型中的约束问题作了分析,并对约束链的自由度作了计算,为并联机构的特殊型位分析、运动分析、受力分析提供了有力证据,并进一步丰富了螺旋理论的应用。     

Stewart并联机构奇异性与工作空间分析

应用奇异性理论,分析了并联机构在奇异点处的分岔性态。讨论了机构分岔点、理论工作空间和稳定工作空间与静动平台半径比的关系,给出了机构分岔点随静动平台半径比值变化的曲线图,不同比值的机构工作路径跟踪图。研究表明,当静动平台半径比较小时,机构具有较大的工作空间,当静动平台半径比逐渐趋变大时,机构的理论工作空间和稳定工作空间逐渐减小,最后收缩为一个点。     

少自由度并联机构真实运动分析

利用螺旋理论分析组成少自由度并联机构的转动副轴线和移动副轴线之间的几何关系,根据运动副轴线之间的关系,分析由于加工、安装等原因造成的机构运动副轴线可能存在的误差形式。给出当机器人存在不相交误差和不平行误差时,少自由度机器人的各分支对于机器人的动平台的约束形式,以及存在这些约束下,少自由度并联机器人可能实现的运动形式。对具有相同分支的少自由度并联机器人建立误差模型。给出机器人动平台的真实运动模型,试验验证了前面分析的正确性。     

一种基于3-RPC并联机构的新型步行机器人

并联机构结构简单且具有较高的承载能力,将并联机构用于步行机器人,能够在很大程度上提高步行机器人的载重和行走效率,为此提出一种新型的步行机器人。该机器人本体采用3-RPC并联机构,具有3移动自由度,可以在不调整身体姿态的情况下向任意方向移动。采用螺旋理论分析该机器人实现三维移动的机构学原理并验证了自由度,给出位置反解的算法并绘出工作空间,结合3+3步态对机器人的行走运动进行运动学动态仿真分析,仿真结果显示机器人可以实现连续行走且步态平稳,表明该设计正确合理,具有一定的可行性。此外,由于采用并联机构,与传统多足步行机器人相比,该机器人还有容易得到位置反解等优点,有利于步行机器人的结构设计与运动规划,也拓宽并联机构的应用领域。     

一种3-TPT并联机构的位置分析与运动仿真

介绍了一种3-TPT并联机器人机构的结构特点,利用螺纹理论分析了该机构的自由度,并对该机构的运动学位姿进行了分析,给出了运动学位姿反解和运动学位姿正解的显式表达式.最后用ADAMS软件对其进行运动学仿真,对动平台自由度及其位姿的理论分析进行了验证.     

基于单开链单元的欠秩并联机器人机构型综合的一般方法

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。提出了欠秩并联机器人机构型综合的一种系统、有效的新方法 ,并进行了分类。该方法具有普遍性意义 ,已用于完成三平移、三平移一转动以及三平移两转动等欠秩并联机器人机构的型综合。     

基于支链构造法的新型6-DOF并联机构构型设计

提出一种新型3支链6自由度机构构型设计方法。对于6自由度并联机构,支链对动平台没有自由度约束,只存在尺度约束。在每条支链中都加入一个球副,用以实现3转动自由度,其余运动副用以实现3移动自由度。以支链中移动副的数目为分类原则,得出了24种通用支链结构,在此基础上,对支链运动副轴线的位置进行特殊配置,得出了对应的新型支链结构。应用得出的支链结构,对其进行组合,设计出一系列6自由度并联机构,并且以简化运动学求解、扩大工作空间为目的,给出支链内部运动副轴线配置及支链空间拓扑位置的配置设计原则。对得出的新型3-RPPS机构进行运动学、尺度约束和工作空间分析,并建立与机构性能相关的尺度要素与构型综合的关系,验证了本方法的有效性。     

一般6-6型平台并联机构位置正解代数消元法

提出一种求解一般6-6型平台并联机构位置正解的代数消元法.通过变量替换将9个约束方程中的6个转换为线性方程组,采用线性消元消去9个变量中的6个.基于计算机符号计算,运用计算机代数系统中的分次字典序Groebner基算法,推导出15个只含剩余3个变量最高次数为4次的多项式,应用推导出的多项式构造Sylvester结式,获得一般6-6型平台并联机构位置正解的一元高次方程,通过分析符号形式方程组变量的次数,得出该一元高次方程的次数为20次且该机构位置正解最多有40组解的结论.通过改变单项式的分次字典序,在理论上阐明存在多个不同的结式都可以获得该机构的位置正解.推导出的15个符号形式的多项式可直接用于求解一般6-6型平台并联机构位置正解,从而实现该问题的数学机械化求解.最后给出数字实例,经反解验证所有解满足原始方程,且无增根.