并联机器人的工作空间研究现状

随着并联机器人成为机器人研究的主要研究热点,并联机构学理论的研究正经历着蓬勃发展,并联机器人的运动学、动力学及性能分析等方面的理论不断得到丰富.本文掌握的大量的有关性能分析中的工作空间的文献,对工作空间这一分支的研究现状做了深入分析.     

Optimal design of a 3-leg 6-DOF parallel manipulator for a specific workspace

Researchers seldom study optimum design of a six-degree-of-freedom(DOF) parallel manipulator with three legs based upon the given workspace. An optimal design method of a novel three-leg six-DOF parallel manipulator(TLPM) is presented. The mechanical structure of this robot is introduced, with this structure the kinematic constrain equations is decoupled. Analytical solutions of the forward kinematics are worked out, one configuration of this robot, including position and orientation of the end-effector are graphically displayed. Then, on the basis of several extreme positions of the kinematic performances, the task workspace is given. An algorithm of optimal designing is introduced to find the smallest dimensional parameters of the proposed robot. Examples illustrate the design results, and a design stability index is introduced, which ensures that the robot remains a safe distance from the boundary of sits actual workspace. Finally, one prototype of the robot is developed based on this method. This method can easily find appropriate kinematic parameters that can size a robot having the smallest workspace enclosing a predefined task workspace. It improves the design efficiency, ensures that the robot has a small mechanical size possesses a large given workspace volume, and meets the lightweight design requirements.     

Gough-Stewart平台机构的普适工作空间及其几何求解

针对大型光学望远镜副镜位姿调节机构设计,为了实现不同Gough-Stewart平台机构的性能比较,提出普适工作空间的概念,并给出其几何求解方法。普适工作空间是以杆长为限定条件时,动平台在36个特定方向上运动范围的交集。普适工作空间具备的优点表现在无需降维描述,外形为简单规则的旋转体、采用几何方法直接求解空间边界、计算结果唯一。经算例验证,不同结构参数的Gough-Stewart平台机构都能求解出形状相似、规则、简单的普适工作空间,使得同一性能指标在该空间内具有可比性,为Gough-Stewart平台机构进一步的优化设计提供了参考依据。     

机械手工作空间分析

研究平面双杆、三杆及漂浮基座机械手工作空间。得到使工作空间最大的优化条件，在三杆机械手的讨论中运用了Lagrange条件极值法。所得结果对机械手设计分析具有一定的指导意义，文章附有计算图线。     

机械臂全工作空间域非参数约束位姿误差估算

针对机械臂全工作空间域位姿误差估算,提出了非参数化约束的运动学误差综合解算与动态估算方法。基于误差等效微分变量和多关节运动的连杆坐标系误差等效微分变换,构建了机械臂运动学动态非参数化约束的位姿误差模型。将多因素产生末端位姿误差归结为与关节转角变量有关的周期性动态函数变化,实现了机械臂综合误差的动态函数化描述。根据多连杆坐标系关节运动耦合规律,设计了多关节运动空间坐标系位姿在线解耦变换与补偿算法。全工作空间域验证实验中,误差估算值与测量值之间的位置坐标的最大绝对值偏差小于0.01 mm,姿态角的最大绝对值偏差小于0.03°。实验结果表明,该方法可提高机械臂全工作空间域位姿误差估算的精度与可靠性。     

基于随机概率的机器人工作空间及其面积求解

采用随机概率的蒙特卡罗方法得到了平面机器人的工作空间。由于此方法不用对机器人进行逆解计算，也不必直接对奇异值进行计算，所以非常适于工作空间边界曲线的绘制。本文的另一个目的在于扩展一种简单快速的方法，更有效地确定一般平面机器人工作空间的面积。由于工作空间是由一系列的直线或圆弧曲线构成的封闭图形，所以可以采用矢量法对边界点予以表示，并用窄矩形对面积进行近似计算。最后，对一个平面机构的实例进行了面积计算和比较分析。本文介绍的方法不但简单而且在工程中非常实用。     

一种新的机械手最优轨迹的规划算法

机械手轨迹规划的目标是其运行的快速、准确和平稳.基于这一目的,我们提出了一种新的获取机械手最优轨迹的能量最小准则:给定机械手末端轨迹的始末位置,根据其各自由度的加速度积分和最小的能量最小准则寻求满足约束的最优(平滑)轨迹.实验表明,规划的轨迹不仅平滑,而且安全(具有最优的速度、加速度轮廓).     

电力铁塔攀爬机器人工作空间的3种求解方法

在对现有的机器人工作空间求解方法分析总结的基础上,分别采用蒙特卡洛法、定步距角法及仿真法求解电力铁塔攀爬机器人工作空间,并从图形效果、分析方法、用时及适用场合4个方面对其进行了比较,选择定步距角法为求解攀爬机器人工作空间的最优方法。通过对工作空间降维提取二维边界曲线并生成三维曲面的方法分析机器人工作空间边界,采用数值法求解了工作空间体积,为机器人结构优化设计、路径规划及运动控制提供了理论依据。     

机器人工作空间求解的蒙特卡洛法改进和体积求取

针对传统的蒙特卡洛法求解机器人工作空间时精确度不够的问题,提出了一种改进的蒙特卡洛法。用传统的蒙特卡洛法生成一个种子工作空间,基于标准差动态可调的正态分布对种子工作空间进行扩展。在扩展过程中设定一个精度阈值,确保得到的工作空间中每个位置都能被准确的描述。基于得到的工作空间,提出了一种体元化算法求取工作空间的体积,寻找到工作空间的边界部分和非边界部分,通过对边界部分的不断细化,降低了体积求取误差。为了验证算法的有效性和实用性,以九自由度的超冗余串联机械臂为例,对本文改进的蒙特卡洛法和提出的体积求取算法进行仿真分析。结果表明:采样点数量相同时,改进的蒙特卡洛法生成的工作空间边界光滑,"噪声小";得到精确的工作空间时改进方法需要的采样点数仅是传统方法的4.67%;体积求取算法效率较高,相对误差小于1%;求得的工作空间体积可用于评估机械臂性能,为后续机械臂构型优化奠定了理论基础。     

工作空间分区的机器人非概率可靠性标定方法研究

全工作空间域的高精度定位是超大工作空间机器人实现全范围精密作业的关键。本文以提高机器人全工作空间域内参数标定的可靠性和空间适应性为目标,研究机器人自身诸多不确定性的非概率量化方法,分析不确定性参数在不同工作空间域对机器人末端定位精度的影响差异,依据定位精度非概率可靠度指标对全工作空间域分区,提出一种在工作空间分区框架下对机器人进行非概率可靠性标定的方法。实例表明,分区标定补偿后,x、y、z三个方向的误差区间的下界和上界平均值分别下降了40.16%、59.36%和59.08%、40.87%以及54.24%、33.98%,且补偿后的机器人响应速度快,运动过程中波动小,证明了本文方法在缩小全工作域内末端误差范围,提升机器人的绝对定位精度及标定的空间适应性方面的有效性。     

并联机床主运动机构工作空间分析

针对一种新型模块化并联机床结构模型，给出了机床主运动模块平面二自由度机构的运动特性，分析研究了工作空间，机构的工作空间与机构滑鞍的行程以及机构的尺寸有关，分别给出了各种情况的工作空间几何形状，并以实例给出了工作空间的几何特性，为该并联机构的设计提供了有参考价值的方法和资料。     

空间测量定位网络的典型布局

空间测量定位系统在多站协同作用下实现测量,测站布局对系统测量精度、测量范围及使用成本影响很大.本文从wMPS网络布局和定位误差的关系入手,重点研究了测站分布几何对定位误差的影响.首先,建立了系统的定位误差模型,分析了测站单向通讯几何约束以及测站数目对改善测量精度的影响;然后,设计了两到四测站的多种典型布局形式,分析了典型布局的误差分布特性;最后,利用实验室样机对典型布局的误差特性进行了验证.实验结果表明,O_4型布局整体测量精度最高,L_3型布局对I_2型布局测量精度的增强幅度约为40％,O_4型布局对L_3型布局测量精度的提高幅度大部分处于20％以内.本文的研究为全局测量网络优化提供了有效的理论支撑.     

Experimental characterization of a binary actuated parallel manipulator

This paper describes the BAPAMAN (Binary Actuated Parallel MANipulator) series of parallel manipulators that has been conceived at Laboratory of Robotics and Mechatronics (LARM). Basic common characteristics of BAPAMAN series are described. In particular, it is outlined the use of a reduced number of active degrees of freedom, the use of design solutions with flexural joints and Shape Memory Alloy (SMA) actuators for achieving miniaturization, cost reduction and easy operation features. Given the peculiarities of BAPAMAN architecture, specific experimental tests have been proposed and carried out with the aim to validate the proposed design and to evaluate the practical operation performance and the characteristics of a built prototype, in particular, in terms of operation and workspace characteristics.     

Dimensional synthesis of a novel 5-DOF reconfigurable hybrid perfusion manipulator for large-scale spherical honeycomb perfusion

A novel hybrid perfusion manipulator (HPM) with five degrees of freedom (DOFs) is introduced by combining the 5PUS-PRPU (P, R, U, and S represent prismatic, revolute, universal, and spherical joint, respectively) parallel mechanism with the 5PRR reconfigurable base to enhance the perfusion efficiency of the large-scale spherical honeycomb thermal protection layer. This study mainly presents the dimensional synthesis of the proposed HPM. First, the inverse kinematics, including the analytic expression of the rotation angles of the U joint in the PUS limb, is obtained, and mobility analysis is conducted based on screw theory. The Jacobian matrix of 5PUS-PRPU is also determined with screw theory and used for the establishment of the objective function. Second, a global and comprehensive objective function (GCOF) is proposed to represent the Jacobian matrix’s condition number. With the genetic algorithm, dimensional synthesis is conducted by minimizing GCOF subject to the given variable constraints. The values of the designed variables corresponding to different configurations of the reconfigurable base are then obtained. Lastly, the optimal structure parameters of the proposed 5-DOF HPM are determined. Results show that the HPM with the optimized parameters has an enlarged orientation workspace, and the maximum angle of the reconfigurable base is decreased, which is conducive to improving the overall stiffness of HPM.     

2-RRC-UPU并联机构及工作空间分析

提出了一种新型三平移三自由度空间并联机器人机构,进行了机构运动输出特性分析及自由度计算,并建立2-RRC-UPU三平移并联机器人机构的位置正、反解方程。得到了该机构的工作空间。在此基础上描绘出了并联机器人工作空间边界曲面及截面视图,分析表明,2-RRC-UPU并联机器人的理论工作空间是部分实心球体,是一种较理想的能实现三维移动并联机构的选型。     

Topology Search of 3-DOF Translational Parallel Manipulators with Three Identical Limbs for Leg Mechanisms

Three-degree of freedom(3-DOF) translational parallel manipulators(TPMs) have been widely studied both in industry and academia in the past decades. However, most architectures of 3-DOF TPMs are create...     

一种欠约束丝牵引并联机构工作空间的分析方法

针对光学悬丝吊架试验台系统应用的六丝牵引的并联机构,提出了运用维数缩减法求解欠约束六自由度并联机构工作空间的方法,并利用提出的衡量工作空间质量的评价指标ks,通过Matlab仿真分析了机构结构参数及预紧力系数等对其工作空间的影响趋势,最后经过多次计算对比,得出机构各参数的最优组合,获得最大工作空间,从而为下一步的实际测试试验奠定基础。     

On the workspace of spatial parallel manipulator with multi-translational degrees of freedom

This paper presents a new simple but effective algebra-geometry methodology to investigate the workspace of spatial parallel manipulators based on the analysis of its degree of freedom (DoF). Through coordinate transformation, we depict the geometric relationships with a set of parameter equations, which should be widely adapted to address the workspace of spatial parallel manipulators with multi-translational DoF. We also point out that the workspace of certain spatial parallel manipulators can be large enough rather than very small for applications. This revised version was published online March 2005 with corrections to Figure 5.     

Singularity analysis with respect to the workspace of a double parallel manipulator

Singularity analysis is an important issue in the design of parallel manipulators, since they become uncontrollable at singular configurations due to the rank deficiency of the Jacobian. This paper analyzes the singularity of a double parallel manipulator with respect to its workspace. The workspace is decoupled into a positional workspace generated by the first parallel mechanism, and an orientational workspace by the second mechanism. The singularities occurring outside each workspace are analytically found by a Jacobian matrix derived for the velocity transformation from the end-effecfor to the linear actuators. The singularity loci are presented and their geometric properties are examined to prove that the double parallel manipulator is free from the singularity problem.     

受到外部扰动的空间机械臂基于模糊递归神经网络的控制策略

针对载体位置不受控、姿态受控的空间机械臂运动控制问题,对具有不确定系统参数的空间机械臂在受到外部扰动工况下动力学建模以及控制算法进行了研究。运用拉格朗日第二类动力学方程及被控系统动量守恒关系,对该工况下空间机械臂运动特性进行了分析,建立了系统在受到外部扰动时的动力学模型,并对动力学特性进行了归纳,提出了一种基于模糊递归神经网络的控制策略。根据李雅普诺夫第二类方法,证明了整个闭环控制系统的运动渐进稳定性。使用计算机数值仿真实验与计算力矩法进行对比,阐述了整个控制系统的有效性。研究结果表明,在存在外部扰动及系统参数不确定时,所设计的控制方案相比于传统计算力矩控制方法具有更好的轨迹跟踪效果和更高的可靠性。