含双驱动支链的2UPS-RPU并联机构雅可比矩阵

基于旋量理论和李群李代数方法,以4自由度2UPS-RPU并联机构为例,提出了含串联输入支链的并联机构正运动学雅可比矩阵的一种新的推导方法。首先利用指数积公式建立含串联输入支链的位置正解,得出动平台位姿矩阵,根据动平台位姿矩阵列出第2和第3支链对动平台的约束方程,通过对方程组两边微分,得出第1支链关节速度与主动关节速度的映射关系,然后代入第1支链正运动学速度关系式,得出并联机构的正运动学雅可比矩阵。最后,基于螺旋理论建立了并联机构逆运动学的完整雅可比矩阵。为机构的奇异性分析提供了理论基础。     

3-PRS并联机构的动力学惯量耦合特性分析

针对3-PRS并联机构动力学惯量耦合特性的问题,在关节空间中建立了机构的动力学模型,对机构主动支链之间存在的惯量耦合进行了研究.首先,给出了机构的运动学模型,针对动平台广义位姿、速度、加速度存在耦合的问题,分别通过约束方程、一阶影响系数矩阵、二阶影响系数矩阵,对其进行了解耦,并建立了各支链与动平台末端速度、加速度的映射...     

新型4-SPS/PPU并联机构运动学分析

提出一种能实现空间两移动和两转动的新型4-SPS/PPU四自由度并联机构模型,其中SPS支链为驱动支链,PPU为恰约束从动支链.采用螺旋理论计算了4-SPS/PPU并联机构的自由度.讨论了该机构的位置反解与正解,通过对位置方程求一阶微分,导出该机构的Jacobian矩阵,并分析了其加速度性能,给出了该机构Hessian矩阵的求解方法.根据运动Jacobian矩阵推导出该机构的条件数,通过数值分析验证了结构参数对该机构灵巧度的影响.为该机构的构型设计提供了理论依据.     

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。     

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.     

含串联输入支链的2UPS-RPU并联机构奇异性分析

奇异性会对机构的工作性能产生不良影响,以含串联输入支链的2UPS-RPU并联机构为研究对象,利用矢量法及虚功原理对机构进行位置和速度分析,得出完整雅可比矩阵,通过分析雅可比矩阵秩的变化,推出产生奇异位置的条件,最终得到了机构的结构参数与机构奇异性的关系,提出了消除奇异性的方法,对2UPS-RPU并联机构的设计和应用具有十分重要的理论和现实意义。此研究方法对并联机构的奇异性分析具有通用性。     

一种新型3-UPS/UPR并联机构运动学分析及应用

在4-SPS/CU并联机构的基础上提出了一种具有空间3个转动和1个移动自由度的新型3-UPS/UPR并联机构。减少了原有机构的奇异位型和对结构参数的限制,使机构的控制方案得以简化;计算了该并联机构的自由度,对其进行了运动学分析,得出了该机构输入与输出之间的映射关系;给出了该机构的位置反解,导出了该机构运动的Jacobian矩阵与Hessian矩阵;分析了该机构的速度、加速度以及工作空间。将此机构运用于人形机器人的颈部关节处,并对机器人头部在完成指定运动形式时机构的运动学性能进行了分析。     

6－UPS型并联机构的刚体动力学模型

建立了6－UPS型并联机构的动力学模型。为了能使动力学模型包含所有构件的重力和惯性力,以6－UPS并联机构的支链为研究对象,运用D－H方法建立了各构件的坐标系,推导了支链的运动学反解的解析方程,并给出了各个构件的速度、加速度与动平台的速度、加速度的映射关系。然后用牛顿－欧拉方法推导了6－UPS并联机构的动力学模型,为支链中各个构件支反力的求解和整个机构的动力学分析奠定了基础。最后以并联机床为例,运用动力学模型进行了实际计算并绘制了连杆驱动力的变化曲线。     

一种四自由度并联机构的性能指标分析

通过改变并联机构的拓扑结构,得到了一种具有空间四自由度的并联机构。根据位置关系方程,通过理论推导,得到了机构速度和加速度映射解析方程,同时求出了机构的一阶和二阶影响系数矩阵。综合分析了机构的运动学和动力学性能指标,得到了影响多种性能指标的敏感因素。考虑量纲的不同,将Jacobian矩阵分离,在动平台任务空间内,研究了决定速度和力、角速度和力矩的性能指标。提出了对Hessian矩阵采用"分层"研究的方式,在任务空间内,得到了各支链扰动对机构加速度和惯性力性能的影响程度。研究结果为机构的设计和优化以及控制策略的选择提供了理论依据。     

空间并联机构连续刚度非线性映射

基于影响系数法并借助虚功原理建立包含主、被动关节弹性变形,杆件及其平台自重的空间并联机构连续刚度非线性映射通用模型。空间并联机构连续刚度非线性映射通用模型与以往刚度模型区别在于,它不仅考虑了机构主动驱动关节、被动关节弹性变形及各部件重力对机构刚度的影响,而且考虑了机构刚度变化的连续过程,没有忽略机构在广义外力下变形时雅可比矩阵的变化,通过引进机构的二阶影响系数,从而使空间并联机构刚度非线性映射还原。从机构简化约束方程出发,推导空间并联机构几类连续刚度简化映射矩阵。在此基础上,结合刚度矩阵瑞利商定义了空间并联机构连续刚度性能判定指标k。最后给出一空间并联机构刚度分析实例,分别计算两种模型下的刚度矩阵,并对比两种模型下机构刚度性能。     

基于UG的3T-3R并联机构建模仿真研究

3T-3R并联机构中六个支链均由五个平行四边形机构串联组合成伸缩链,六个支链与静平台和动平台用S球副连接。用UG仿真了平台动态运动时的位移、速度、加速度的变化情况,通过六个并联支链其拓扑结构的位移与动平台的速度、加速度之间的关系,分析了影响动平台输出运动在空间为3平移和3转动共6个运动自由度的准确性和平稳性,研究结果表明并联机构设计方案和结构参数合理,具有较好的操作灵活性,为并联机构的控制提供了必要的依据,有着极其重要的意义。     

基于螺旋理论对3-RPS并联机器人运动学分析及仿真

3-RPS型并联机构具有3个结构对称的支链形式,每个支链由一个转动副连接基座,一个球面副与动平台相连接,转动副与球面副由移动副所连接。采用螺旋理论对3-RPS型并联机器人自由度分析,采用反螺旋的方法建立约束雅可比矩阵、运动雅可比矩阵和完整雅可比矩阵,导出了动平台的速度到驱动关节速度之间的映射,从而计算出末端执行器的速度、加速度并进行奇异性分析。基于Matlab SimMechanics软件建立3-RPS型并联机器人仿真模型,进行运动学仿真对比研究,结果表明:动平台的实际输出变化与给定的参考值变化基本相符,验证了该建模方法的正确性。     

6-PSS并联机床的运动学分析

以 6 -PSS并联机床为例 ,从单一支路的运动分析出发 ,利用并联机床的结构约束条件 ,得到并联机床显格式的位置反解方程以及工作空间到输入空间的速度和加速度映射矩阵。最后给出衡量并联机床运动精度的重要指标及其计算式     

PS-3SPS结构降耦并联机构运动学分析

对称结构4自由度4SPS-PS并联机构具有1条方位特征(被动约束)支链,耦合度为2,其位置正解和动力学正反解的求解较复杂。运用方位特征支链主动化和运动副合并(将约束距离缩减为0)方法,对原构型进行结构降耦设计,得到一种PS-3SPS一平移三转动降耦并联机构。新型降耦机构的耦合度为0,其突出优点是位置正解具有显式表达式。给出求PS-3SPS降耦并联机构位置正反解的几何方法,得到动平台Euler角的解析解。运用矢量代数法和姿态矩阵微分形式,推导出机构速度Jacobian矩阵,并得到速度和加速度正反解的显式表达式。运用空间几何法,推导出PS-3SPS并联机构所有理论正运动学奇异位形,并给出代表性奇异位形。最后,给出数值算例,位置正反解十分吻合,表明求解方法准确可靠。分别运用MATLAB软件编程和ADAMS软件仿真得到机构运动学分析曲线,两者结果一致,验证了理论分析模型与方法的正确性。     

6—PSS并联机床的运动学分析

以6-PSS并联机床为例，从单一支路的运动分析出发，利用并联机床的结构约束条件，得到并联机床显格式的位置反解方程以及工作空间到输入空间的速度和加速度映射矩阵，最后给出衡量并联机床运动精度的重要指标及其计算式。     

基于边界搜索法的4UPS-UPU并联机构工作空间分析

设计了一种4UPS-UPU并联机构,通过矢量代数法求解该并联机构运动学逆解,给出关节变量与末端位姿间的映射关系.采用边界搜索法分析并联机构定姿态时的工作空间,获得工作空间的三维图形,计算工作空间大小.研究该并联机构的支链长度、动静平台半径和运动副转角等结构参数和运动参数对其工作空间大小的影响,为机构的参数优化及轨迹规划提供理论依据.     

基于输入组的六自由度解耦并联机器人

串联机器人具有很好的运动解耦性,多数并联机器人各支链间是耦合的。本文基于输入分组的思想,研究了在给定主动输入关节时机器人的输入组解耦问题,使得传统意义上耦合的一类机器人具有了解耦的特征,极大地简化了控制系统设计。最后给出了基于速度雅可比矩阵的判别方法,并将该方法用于分析一种六自由度输入组解耦的并联机器人,表明该矩阵判别法简便而有效。     

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。     

基于遗传算法的并联微动机器人的机构优化设计

建立了3-RUU并联微动机器人机构的伪刚体数学模型，并给出了速度雅可比矩阵和误差映射矩阵；分析了机构尺寸对机构操作性、精度性能的影响，在此基础上应用遗传算法对机构尺寸参数进行综合优化，并对优化结果进行仿真。优化结果与尺寸型法选择的初选值的仿真对比表明：采用遗传算法实现并联机构的多目标优化设计是适宜可行的。     

一种两自由度并联机构位置分析与仿真

依据中医推拿中常用的滚法、按法、揉法、振法等手法的运动学及动力学特征,得出完成各推拿手法的运动输出矩阵和施力方向.采用串联机械臂与并联机构结合的方式实现推拿手法中五种运动.其中依据并联机器人型综合理论,以单开链支路为单元,提出了一种能实现空间一平移和一转动的两自由度并联机构.该机构由两条主动支链为P⊥R//R,两条辅助支链为P⊥R组成.对该并联机构进行了结构和位置分析,求出其运动学正反解的解释解.借助ADAMS软件进行动态仿真,检验了理论推导的正确性.采用串联式机械臂和并联机构结合的方式,不仅能完成中医推拿的五种手法,而且结构简单、位置分析求解容易,为机器人的控制提供理论依据.