绳索-弹簧机构工作空间分析

对于绳索牵引并联机构,因绳索只能承受拉力而不能承受压力,因此完全约束的n自由度绳索牵引并联机构至少需要由n+1根绳索来驱动,冗余驱动会导致成本增加,绳索拉力求解复杂。绳索牵引并联机构中,在末端执行器与机架之间选择适当位置引入弹簧,构成绳索-弹簧机构,由弹簧来提供被动力,则可以实现绳索驱动器与自由度数目相同的可控绳索-弹簧机构。以平面3根绳索1根弹簧机构为例,建立模型,求解可行工作空间,分析弹簧参数对绳索-弹簧机构可行工作空间的影响,采用遗传算法对机构构型进行优化,并对比分析优化前后的工作空间指标。结果表明,绳索-弹簧机构在构型优化选择适当的弹簧参数后,可以显著改变工作空间及其质量,为后期规划动平台的运动轨迹提供参考。     

6自由度绳牵引并联机构的位置空间分析

文中对绳牵引并联机器人的位置空间进行了研究.在绳牵引并联机构的应用中,工作空间的形状是需要了解的重要因素.通过绳牵引并联机器人的力和力矩平衡方程得出了判断一个位形是否在工作空间中的方法.据此进行仿真分析,确定了6-6型绳牵引并联机器人的位置工作空间形状同运动平台和基座几何布置、尺寸的关系.     

6自由度绳牵引并联机构的运动学分析

在分析总结前人研究成果的基础上,提出了一种由7根绳牵引的结构紧凑的6自由度并联机构首先对机构构型进行了描述;接着建立了机构静力学模型,总结了前人关于绳牵引并联机构的可控工作空间、具有拉力条件的工作空间和具有刚度条件的工作空间分析方法;并针对提出的6自由度绳牵引并联机构,采用Monte-Carlo技术在Matlab环境下编程进行仿真,验证所采用的工作空间分析方法的可行性.仿真结果表明机构平动可控工作空间大而转动工作空间小;在主位姿附近机构的刚度性能好;但许可的绳拉力范围小;工作空间的边界问题仍待解决.后续工作还将进行机构的运动学综合.该构型的6自由度绳牵引并联机构在超大工作空间的机器人领域有潜在的应用前景.     

含球面副并联机构的可调工作空间求解

为解决并联机构工作空间有限性问题,使其能够适应不同的工作环境及工况.主要以含球面副支链3-PSR并联机构的可调工作空间展开研究.首先在建立含球面副支链3-PSR并联机构几何模型的基础上,利用支链环封闭矢量法求解3-PSR并联机构的运动学方程;其次,综合考虑含球面副支链各运动副约束条件,构建了以滑杆的移动行程和连杆杆长之比为主要影响因素λ的3-PSR并联机构SimMechanics结构框图;然后,研究了影响因素λ对含球面副支链3-PSR并联机构的可调工作空间体积的变化规律;最后,在数值模拟的基础上,数值模拟出λ不同取值时3-PSR并联机构的位置工作空间体积图.研究结果表明,含球面副支链的3-PSR并联机构位置工作空间范围仍然有限,其形状规整分布均匀,且由转动副和球副转角限制的两侧边界、最大、最小杆长限制的上下部边界组成;且随着影响因素λ的取值,该机构可以达到扩大工作空间的目的 ,为含球面副支链3-PSR并联机构的后续应用设计提供了理论依据.     

空间对称弹簧支链Stewart机构多维隔振特性

为解决不平顺路况运行车辆及随机波浪中船体的多维振动问题,介绍了一种空间对称弹簧支链的Stewart六自由度并联隔振机构,主要针对该类机构的隔振性能进行研究。首先建立了机构的3维模型,采用动力学逆解方法推导了机构的加速度二阶影响系数矩阵。基于多自由度动力学系统传递函数模型推导了模态参与因子,利用ADAMS/Vibration模块进行机构仿真模态分析,获得隔振平台输出加速度的模态参与因子及其主要模态振型与对应峰值。在0.1-1000Hz频域段内对该模型进行受迫振动分析,获得机构隔振平台位移时域及加速度频响曲线,基于功率流传递函数模型对其隔振性能进行评价。研究结果表明:含空间对称弹簧支链的Stewart并联机构在较宽的频段内具有显著的多维隔振效果,能够实现微幅低频振动的隔离。     

平面结构冗余并联机构的误差敏感度分析

针对一种含闭环支链的平面结构冗余并联机构进行误差敏感度分析。分析了该机构的逆运动学和正运动学。基于矩阵法建立了机构的误差模型,并通过反解、正解结合的方法对该误差模型进行了验证。基于误差模型,得到了评价机构误差敏感度的指标,绘制了各指标在工作空间内的等值线图。基于误差敏感度指标,定义了低误差敏感性工作空间,绘制了低误差敏感性工作空间在工作空间中的分布图。与平面3-RRR并联机构进行了误差敏感度对比分析。结果表明,该机构的低误差敏感性工作空间占比较大,同时可以通过调节其冗余支链不断扩大低误差敏感性工作空间,使机构在大范围空间中保持低误差敏感性。     

并联机构六维控制器的运动学性能分析及尺度优化

针对一种含子闭环3-5RUU并联机构的六维控制器进行运动学性能分析和尺度参数优化。首先用附加传感器的方法计算3-5RUU并联机构运动学正解,并求得了唯一解;其次建立了运动学逆解模型,根据运动学逆解,建立了工作空间的约束条件,通过MATLAB编程对机构进行了定姿态的工作空间分析;然后采用单一变量分析法得到了并联机构尺度参数与定姿态工作空间的关系;最后以工作空间最大为优化目标,利用遗传算法优化了机构杆长参数,使六维控制器的有效工作空间更大。结果表明:六维控制器的工作空间提高到原来的3倍以上。     

重载浇注机器人并联工作臂设计分析与实现

针对铸造生产中广泛使用的串联式机器人在浇注作业中存在负载小、柔性度低和作业精度低等问题,提出一种新型的混联式重载浇注机器人;设计了一种基于2UPR-2RPU机构的3自由度并联工作臂,进行拓扑结构分析和自由度计算;通过建立并联工作臂运动学模型和静力学模型,分析机构支链长度随浇包转角的变化规律;分析支链受力状况、行程大小随支链在静平台上安装位置变动的关系,对并联工作臂的结构与参数进行优化设计。针对300 kg级浇包,优选出一组综合性能较好的结构参数,经过样机试制及测试,结果表明,并联工作臂的设计方案和结构参数较为合理。     

欠约束绳牵引并联机构刚度性能分析与优化设计

为了提高欠约束绳牵引并联机构的刚度性能,研究了一种以刚度为基础的优化方法。首先,通过静力学方程对机构进行受力分析,通过引入线矢量和微分变换公式推导出机构的静态刚度模型;其次,定义两个设计变量,以机构的工作空间、刚度的全域均值、刚度的全域波动性为优化目标,研究其变化规律;最后,使用理想点法对多个目标进行优化并对目标函数进行归一化处理,得到了最优的结构参数。     

4-RRRPP并联机构工作空间解析分析

通过对串联机构、并联机构工作空间分析方法的梳理,提出一种基于支链关节运动能力逆向综合的解析作图分析新方法。提出将并联机构分解成串联支链,然后把串联支链从输出末端到固定端以关节插件形式逆向组装,将每一次组装后得到的关节或串联机构的末端工作空间运动能力的空间几何形体作为母线/母体/母面,以组装关节轴线为基线,借助三维CAD软件工具,得到整个支链末端工作空间运动能力域,并给出其一般方法和步骤。将各支链末端工作空间运动能力域在固定坐标系下的空间位置进行重置,求取其交集,从而得到并联机构输出末端参考点的可到工作空间。并以机构为实例证明该方法的有效性,当改变并联机构静平台尺寸保持不变,动平台各关节距离其形心的尺寸参数发生改变时,并联机构输出末端工作空间形状相似,但体积大小随着距离的增大而减小。当改变并联机构动平台尺寸保持不变,静平台各关节距离其形心的尺寸参数发生改变时,并联机构输出末端工作空间形状也发生改变,体积随着距离的增大而减小。     

绳牵引并联机构的研究概况与发展趋势

总结了近20年来关于绳牵引并联机构的研究概况和研究内容；论述了绳牵引并联机构的构型、工作空间、刚度和冗余性等方面的研究；分析了绳牵引并联机构的应用前景与发展趋势，指出了绳牵引并联机构在建筑机器人、虚拟现实的力反馈装置和触觉装置、大型运动仿真器、大型射电望远镜、超高速机器人、超大工作空间的轻型机器人和风洞试验等领域的应用前景，展望了绳牵引并联机构的预期研究内容。     

基于全局动力学性能的并联机床结构参数优化

提出了一种以并联机床动力学模型为基础的结构参数的优化方法。以6—UPS型并联平台机构支链为研究对象进行了运动学分析，给出了机构支链的运动学方程和速度加速度映射公式，以运动学为基础叙述了该机构动力学建模过程，建立基于全局指标结构参数优化模型，并对6—UPS型并联机床进行了优化计算。为检验结果的正确性，采用仿真机构运动的方法对优化结果进行了验证。     

一种支链含Pa副的新型2T1R并联机器人的运动学分析与多目标性能优化研究

以并联机构2T1R作为研究对象,基于并联机构拓扑结构设计理论综合出一类支链含Pa平行四边形机构的2T1R并联机构,并优选出两种新型2PRPaR-PPaR与2RRPaR-PPaR并联机构,以2PRPaR-PPaR并联机构为例,利用方位特征集拓扑结构理论计算机构的方位特征集、自由度、耦合度等拓扑特性,根据建立的特征方程并得到机构的运动学逆解解析式。基于此,分别对机构的工作空间、灵巧度、转动能力等性能指标可视化分析,并通过图形化对比分析机构参数对这些性能指标的影响,最后建立工作空间和全局灵巧度多目标优化模型,选择快速非支配多目标优化算法（NSGA-Ⅱ）实现机构尺度综合,结果表明：2PRPaR-PPaR机构具有工作空间较大、灵巧度较好、转动能力高等优良特性,优化出一组不同姿态角下的对工作空间和全局灵巧度的多目标pareto优化解。     

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。     

基于运动学、刚度和动力学性能的并联机构有序递进三级优化设计及其应用

提出一种基于运动学、刚度和动力学性能的并联机构有序递进三级优化策略,即分别应用遗传算法（GA）、粒子群算法（PSO）、差分进化算法（DE）三种智能算法,以工作空间性能和运动/力传递性能为目标的尺度参数优化方法,又在优化尺度参数基础上,以机构承载刚度和整体刚度为目标进行构件截面参数优化,再在优化尺度参数和截面参数基础上,以动力学灵巧度和能量传递效率为目标进行构件质量参数优化,从而使得机构的尺度、截面及质量参数达到最优。以一种零耦合度三平移一转动（SCARA）并联操作手为例,运用矢量法建立了并联操作手的运动学模型,通过工作空间性能和运动/力传递性能两个运动学指标,优化其尺度参数;运用虚拟弹簧法得到该并联操作手的刚度模型,通过对三维模型的参数识别得到其柔度矩阵,并分析了承载刚度、整体刚度两个刚度性能指标,优化了构件的截面参数;利用动力学普遍方程导出了该并联操作手的动力学模型,通过动力学灵巧度和能量传递效率两个动力学性能指标,优化了构件的质量参数。最终,该并联操作手的运动学、刚度和动力学综合性能达到最优,也得到了一些尺度、截面及质量参数的设计准则。     

6自由度绳牵引并联机构的PD反馈控制方案设计

本文对六自由度绳牵引并联机构的控制方案进行研究,建立了其PD反馈控制规律;并对绳内力进行了线性化和解耦处理.文中综合非线性系统线性化理论以及绳牵引并联机构的线性化研究知识,应用实时测量的绳长和终端位置参数将内力矩阵化成一个线性回归矩阵和一个带有绳子和驱动器连接点参数的参数矩阵的乘积;并利用Lyapunov原理进行了闭环系统稳定性分析,实现了一类6自由度绳牵引并联机构的闭环反馈控制.     

滚动关节轴承摩擦力矩检测装置设计及运动分析

设计了滚动关节轴承摩擦力矩检测装置,该装置包括移动平台和具有3个转动自由度的并联机构,其中并联机构由3条结构相同的SRRR驱动支链和1条从动S支链组成.根据几何学和机构学原理建立了并联机构各杆件空间位置关系,得到机构输入、输出位姿,速度和加速度关系;根据机构尺度参数计算机构运动平台姿态角运动范围;通过改进粒子群优化算法...     

基于Grassmann线几何理论的并联髋关节试验机奇异位形研究

并联髋关节试验机的核心运动模块采用3SPS+1PS空间并联机构,由定、动平台及连接两平台的3根SPS支链和1根PS支链构成,具有3转动自由度和1平动自由度。并联机构的奇异特性对其工作性能有着重要影响,因而须对该髋关节试验机的相关性质进行研究。建立基于Rodrigues参数的机构静力学模型,得到静力学转换矩阵的一般表达式,并推导出与6条用于Grassmann线几何分析的直线相对应的Plücker矢量。通过分析各线簇秩的空间分布特点,得到许多新颖的奇异位形,并推导出机构处于奇异位形时的各种约束方程。通过数值仿真,得到线簇秩从1到5的各奇异位形对应的奇异轨迹。髋关节试验机奇异位形的研究对其工作空间分析、机构尺寸优化和控制系统设计具有重要的意义。     

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。     

一类2自由度n-4R并联指向机构的运动学分析

研究一类具有2个转动自由度的n-4R并联指向机构。这类机构具有3条以上的4R支链,在其运动过程中始终存在一个对称面,动、基平台以及各支链的上、下连杆所处平面关于此面对称。从其几何对称特性出发,通过用方位/倾角参数描述机构的姿态(指向),推导出这类机构简洁、统一的运动学模型。在此基础上,分别讨论该类机构伴随运动、工作空间与奇异位形,总结几何结构参数对运动性能的影响。通过一阶运动影响系数在工作空间中的分布研究机构的各向同性,据此对驱动支链的分布进行优化。所得结论可用于指导这一类并联指向机构的设计。