低耦合度2PaUU–PPaP并联机构的运动学分析与多目标优化

目的 针对三平移并联机构结构复杂、耦合度高而引起的运动学分析、动力学分析、误差分析等十分烦琐的问题,提出一种低耦合度三平移空间并联机构。方法 分析得到机构的自由度、耦合度、方位特征集等拓扑参数,建立运动学位置方程推导正、逆解的解析式并对其进行算例验证。根据计算雅可比矩阵推导出位置正解奇异、位置逆解奇异存在条件。进一步研究机构的操作空间,并得到操作空间三维形状图。此外,建立以运动灵巧度与操作空间体积为目标的数学模型,给定目标函数表达式,选择NSGA–Ⅱ算法完成具有Pareto解的多目标参数优化。结果 分析表明,搜索得到工作空间外部边界光滑,呈半球形状结构,内部不连续分布的特点。结论 在较为均衡平缓的区域选择参数的设计,能够同时兼顾体积和全局灵巧度的较佳值,以期为该类型机构在分拣、包装等应用领域提供参考。     

新型四自由度3T1R并联机器人机构运动学分析与优化设计

目的 针对自动化生产线分拣需求,提出一种新型四自由度的三平移一转动（3T1R）并联机器人机构。方法 根据方位特征集设计理论验证并联机器人机构的运动性质。利用机构的构型特点建立运动学方程模型,对其进行位置正解和逆解的分析,通过数值法搜索得到并联机器人机构的工作空间图形和转动能力等高线图。同时分析并联机器人机构的雅可比矩阵JX以及奇异性。最后以工作空间最大化作为适应度函数,基于遗传算法对机构结构尺寸进行最优化分析。结果 该机构操作空间具有规则形状、无空洞、较大的特点,优化后的并联机器人机构工作空间性能提升45%。结论 操作空间内运动灵活性较好,优化后工作空间性能得到显著改善。在电子包装自动化生产线搬运分拣领域具有较好的应用前景。     

6_PUS并联机器人动力学性能参数优化设计

为优化一种风洞6_PUS并联支撑机器人的动力学性能参数,采用螺旋理论推导了该机构的力雅可比矩阵和Hessian矩阵,并基于一、二阶影响系数法,在全域工作空间内,对影响6_PUS风洞并联支撑机器人动力学性能指标的主要结构参数进行了优化分析.对该机器人动平台、球铰位置、拉杆长度、平行梁宽度等参数对动力学性能的影响进行了仿真.从仿真结果来看,6_PUS并联机器人的动力学性能较差,要使机器人获得最佳的综合性能,则需要对这些参数进行综合优化.通过对这些参数和性能关系之间的全面考虑,最后选定了并联机器人的主要设计参数,使机构性能达到了设计要求.     

3-RTT并联机构的奇异轨迹分析

基于3-RTT并联机构运动学分析,建立该并联机构的速度方程和雅可比矩阵的解析表达式。应用空间模型理论建立该并联机构的空间模型,并对该并联机构的奇异轨迹进行研究。应用数值方法,得到空间模型中子区域内具有代表性的无量纲并联机构在Z轴不同截面上的奇异轨迹曲线,分析结论为该并联机构的设计提供依据。     

Kinematic dexterity measures for robot manipulators based on double quaternion

针对机器人的雅可比矩阵量纲不统一而不能对其进行灵活性评价这一问题,提出了一种新的雅可比矩阵量纲统一及评价方法.首先基于倍四元数,将三维空间的旋转和平移统一为四维空间的纯转动,推导了基于倍四元数的连杆坐标系变换通式.然后利用该方法对机器人进行了运动学建模,得到了具有统一量纲的雅可比矩阵,并根据该矩阵定义了新的评价指标.该方法解决了混合关节机器人建模时所产生的雅可比矩阵量纲不统一的问题.最后,对空间3R机器人和空间RPR机器人的灵活性进行了数值仿真分析,结果表明该评价方法不仅适用于相同类型关节的机器人,同时适用于混合关节类型的机器人.     

Gough-Stewart并联机构姿态空间与全局姿态能力分析

奇异位形严重影响Gough-Stewart并联机构的性能.有必要得到机构无奇异工作空间的分布,使机构在工作过程中避免出现奇异位形.基于机构的雅可比矩阵,得到机构位于固定位置时的姿态奇异轨迹表达式.利用机构位置反解建立机构的约束姿态空间求解方法.综合考虑机构奇异位形影响,进一步得到机构无奇异姿态空间.将无奇异姿态空间边界的最小内切球作为衡量机构实际无奇异姿态空间大小的性能参数,称之为实际姿态能力.定义约束位置空间内各个位置点的平均实际姿态能力为全局姿态能力,并研究机构动、定平台形状对全局姿态能力大小的影响情况.研究进一步丰富了并联机构工作空间求解理论,提出的全局姿态能力这一新的性能指标对机构的结构参数优化亦具有重要的参考价值.     

基于改进目标检测算法的AGV避障方法研究

目的 针对食品包装的抓取和装配,利用人工成本高且容易装错等问题,基于方位特征(POC)方程的并联机构结构综合方法,提出一种以3PUPaR并联机构为主体的抓取机器人机构。方法 计算3PUPaR并联机构的自由度、方位特征集以及耦合度等拓扑特性,验证机构具有空间纯移动的运动特性,建立机构的运动学逆解方程,基于此,采用数值法得到机构的工作空间与运动灵巧度。并研究参数尺寸大小对工作空间与全局灵巧度的影响,以全局灵巧度和工作空间为优化目标,选择具有Pareto解的NSGA-II算法完成多目标参数优化。结果 结果表明,机构具有较大且连续的工作空间。结论 该新型三自由度并联机器人能够满足食品包装的抓取和装配时运动范围。     

新型3T1R并联机器人机构运动学分析与参数优化

目的 针对生产线码垛作业货物搬运需求,设计一种3T1R码垛并联机器人机构.方法 利用方位特征方程分析机器人机构的自由度、耦合度、方位特征集等拓扑结构特性.根据运动副的构型建立运动学逆解模型,考虑到码垛机器人运动范围的精度需求,采用一种新型的数值搜索法实现并联机构工作空间的快速高效搜索,同时,分析结构参数对工作空间体积的影响,选择鲸鱼优化算法对结构参数进行最优化设计.结果 分析得到的机构工作空间较大且连续性较好,新型的数值搜索法可快速有效地搜索,得到准确的工作空间边界.结论 优化后的并联机构具有良好的工作空间和较好的应用前景.     

3-PUPU并联机构的运动学分析与仿真

目的对一种新型6自由度3-PUPU并联机构进行运动学分析和仿真,验证其是否具有良好的运动学性能。方法首先基于螺旋理论对3-PUPU机构的自由度进行分析,通过修正(G-K)公式对其自由度进行计算。然后利用雅可比矩阵,研究3-PUPU机构执行末端和各部件主要节点的速度和加速度的运动学参数。最后将Solid Works软件建立好的模型导入ADAMS软件中进行位移、速度和加速度的分析。结果通过ADAMS得到的各项参数的曲线都呈周期性变化,曲线并未出现突变点和断点,变化范围稳定。结论 3-PUPU并联机构的运动学性能良好,具有很强的可靠性。     

斜导面直线驱动关节机器人工作空间仿真及优化

目的针对一种新型并联式机构码垛机器人的工作空间进行仿真优化,并阐述其结构特征。方法利用数值方法通过Matlab软件编程求解运动学方程,得到工作空间三维图和二维截面图,在此基础上,进一步利用采样法对工作空间进行仿真计算,研究斜导面丝杠行程x、驱动臂丝杠行程y和结构参数c,h对工作空间的影响。结果增大丝杠行程x,y,斜导面机器人执行码垛动作有效工作空间高度增加,范围变大;增加结构参数c尺寸,工作空间横向(宽度)范围变宽;增加结构参数h尺寸,工作空间纵向(高度)范围升高。结论斜导面机器人并联结构存在非线性问题,即不能直接通过运动学方程研究结构参数对工作空间的影响。通过上述方法仿真得到丝杠行程x为50~320 mm、丝杠行程y为80~330 mm、结构参数c为200 mm、h为180 mm时,工作空间有效二维截面为一个450 mm×700 mm的矩形区域,且具有较好的工作空间位置分布,满足作业要求。     

Optimal synthesis for a continuous prescribed dexterity interval of a 3‐dof parallel planar manipulator for different prescribed output workspaces

In this paper, a numerical optimization methodology for synthesizing parallel manipulators for a desired workspace, previously developed by the authors, is extended to determining the design of a three degree of freedom planar parallel manipulator with regard to a specified continuous dexterity capability. In particular the extended method seeks, for a prescribed (2‐D) physically reachable output workspace, a design that yields an output workspace that will not only fully enclose the prescribed physical output workspace with the specified continuous dexterity capability at each point, but will also be optimally conditioned. The performance index chosen corresponds to the condition number of the Jacobian of the manipulator, and the optimum design with respect to the manipulator design variables, is obtained by minimizing the condition number over the enclosed prescribed physical workspace for a continuous range of platform orientations. The proposed optimization methodology produces convincing results, indicating it to be a stable and efficient numerical method for designing planar parallel manipulators for continuous dexterity capability. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于2-UPR/UPRR并联机构装盒装置的运动性能分析

目的针对生产线上一类小包装84消毒液的装盒工序,提出一种基于2-UPR/UPRR并联机构的简易装盒装置,对该并联机构进行运动性能分析。方法基于螺旋理论对2-UPR/UPRR并联机构的自由度进行分析,并利用闭环矢量法算出该机构的位姿逆解;然后利用一阶影响系数法求解出该机构的速度关系式及雅可比矩阵,并利用ADAMS软件对其运动性能进行仿真分析;最后应用数值搜索法求解出该机构的工作空间。结果该机构的自由度为2R1T,动平台质心速度变化曲线光滑平稳,且始终保持在600 mm/s以内,实际装盒工作空间为一个尺寸为400 mm×400 mm的规则矩形。结论该并联机构的运动性能优异,能满足生产线上对小包装84消毒液的装盒要求,提高了生产效率。     

空间机器人姿态与末端抓手协调运动的鲁棒自适应控制

本文讨论了载体姿态受控、位置不受控制的漂浮基空间机器人协调运动的控制问题。借助于虚拟扩展系统的输入与输出,得到了一组关于惯性参数呈线性函数关系的系统控制方程。以此为基础,针对空间机器人系统中不确定参数与未知参数并存的复杂情况,设计了载体姿态与末端抓手惯性空间轨迹协调运动的鲁棒自适应控制方案。利用两杆空间机器人系统进行了系统仿真运算,仿真结果证实了上述控制方案的有效性。由于对系统待估计参数作了分类,并充分利用系统信息对系统不确定参数采用保持鲁棒性而不是在线估计的方法,提到的控制方案具有计算量小的优点,有助于缓解机载计算机运算能力有限的矛盾。     

基于2-CPR/UPS三平移并联机构的移印机运动学分析

目的提出一种基于2-CPR/UPS并联机构的三平移移印机,以扩展并联机构的应用领域,提高移印印刷质量。方法应用螺旋理论求解机构的自由度,并用修正的Kutzbach-Grübler公式进行验证。建立该机构Jacobian矩阵的数学模型,运用极限坐标搜索法求解其工作空间。根据Jacobian矩阵对机构奇异性进行分析,获得灵巧度指标在工作空间中的分布规律。结果该机构可实现三平移运动,工作空间呈长方体形状,内部连续无空洞且无奇异位置,灵巧度指标在工作空间中分布均匀。结论该三平移移印机可满足移印时的运动及工作范围需求,研究结果表明该机构在工作空间中无奇异位置且灵巧度性能良好。     

Determination of first-order derivative matrix of wavefront aberration with respect to system variables

The first-order derivative matrix of a function with respect to a variable vector is referred to as the Jacobian matrix in mathematics. Current commercial software packages for the analysis and design of optical systems use a finite difference (FD) approximation methodology to estimate the Jacobian matrix of the wavefront aberration with respect to all of the independent system variables in a single raytracing pass such that the change of the wavefront aberration can be determined simply by computing the product of the developed Jacobian matrix and the corresponding changes in the system variables. The proposed method provides an ideal basis for automatic optical system design applications in which the merit function is defined in terms of wavefront aberration. The validity of the proposed approach is demonstrated by means of two illustrative examples. It is shown that the proposed method requires fewer iterations than the traditional FD approach and yields a more reliable and precise optimization performance. However, the proposed method incurs an additional CPU overhead in computing the Jacobian matrix of the merit function. As a result, the CPU time required to complete the optimization process is longer than that required by the FD method.     

刚柔协作3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人研究

为满足搅拌摩擦焊技术的要求,解决搅拌摩擦焊机器人在顶锻力承受以及焊接灵活性方面存在的不足,在三自由度2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人基础上增加了3根绳索,设计了一种刚柔协作3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人。基于运动学建模,运用封闭矢量法分别计算了3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人刚性部分与绳索部分的位置逆解;运用求导法求得了机器人刚性部分与绳索部分的速度雅克比矩阵,并运用特征长度法将雅克比矩阵无量纲化,基于求得的速度无量纲雅克比矩阵,利用MATLAB软件分别对添加绳索前后的搅拌摩擦焊机器人的各项运动学性能指标进行编程求解;应用遗传算法对3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人的性能指标进行优化,通过设定最优个体系数、种群数目、遗传进化次数,对满足3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊接机器人全域刚度以及全域灵巧性的结构参数进行寻优求解。结果表明:3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人的承载力、灵巧性、全域灵巧性、刚度、全域刚度等性能指标均有所提高,且在综合考虑灵巧性以及刚度的优质工作空间内运动连续,说明3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人相较于2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人能够承受更大的顶锻力,且运动灵活性有所提高。通过遗传算法优化后找到符合3CD/2RPU-SPR搅拌摩擦焊机器人全域灵巧性以及全域刚度的10组结构参数,在综合考虑搅拌摩擦焊接工况下,从10组结构参数中选取最优的一组作为搅拌摩擦焊机器人的结构参数,在该结构参数下,机器人性能指标有所提高,更适合完成搅拌摩擦焊接工作。研究为提高机器人搅拌摩擦焊接质量提供了理论依据。     

基于零阶算法的矩形面宽带纵振换能器设计

传统换能器的优化一般采用试算修改的方式进行,这样的方式在待优化参数较多时不仅比较繁琐而且有可能会漏掉各参数组合下较好的设计点,对此提出了利用零阶算法进行换能器多参数联合优化设计的方法。建立了一种带宽评价函数,通过该评价函数和零阶算法尝试了对矩形面纵振换能器带宽的优化设计。经有限元仿真和样机测试表明,两款换能器的性能达到了预期指标要求,实现了宽带工作。得到的两款宽带换能器性能为:1#换能器工作频带为10~21.5 kHz,带内起伏约3 dB,发射电压响应大于134 dB;2#换能器工作频带为7.5~31.5 kHz,带内起伏约6 dB,发射电压响应大于131 dB。该方法可以作为换能器设计的一种新方式。