正交结构6-PP+S并联机构灵巧度性能分析

提出了一种新型正交结构6-PP S并联机构,描述了其结构布局和特点,并建立了运动学方程。以雅可比矩阵的条件数评价并联机构的灵巧度性能,考察了6-PP S并联机构运动灵巧度与末端动平台姿态的关系。     

3-RRR并联机构灵巧度分析

利用SolidWorks建立了3-RRR机构的三维模型,对照三维模型采用D-H法建立了3-RRR机构处于任意位形的机构坐标系,运用螺旋理论计算出该机构的一阶运动影响系数即运动雅可比矩阵,参照运动雅可比矩阵奇异的特点,利用可操作数和条件数对3-RRR并联机构进行了灵巧度分析,得出了该机构的灵巧性特点。     

3-TPT并联机构静刚度特性分析与仿真

以3-TPT并联机构为研究对象,从静力学分析入手,利用逆运动学雅可比矩阵获得机构的力雅可比矩阵,基于新刚度守恒矩阵,对机构的静刚度矩阵进行分析和求解。分析机构的工作空间以避免无关数据对分析结果的影响,以静刚度性能商为评价指标,利用Matlab软件对该机构静刚度进行仿真。通过机构静刚度仿真结果,可以清楚地观察刚度的分布情况,并获得刚度薄弱区域与最大刚度区域的位置,进而分析机构静刚度的变化趋势。这一研究对并联机构的静刚度性能评价指标的建立具有重要意义,其结论也可以用于并联机构尺寸设计及其结构优化。     

(3-RPR+R)&UPS并联机构的静刚度分析

针对提出的新型(3-RPR+R)&UPS并联机构,首先,利用解析矢量法建立了其位置逆解方程;其次,基于螺旋理论对该并联机构约束力螺旋进行了分析,并在分析各约束力螺旋所产生弹性变形的基础上,构建了各驱动支链约束力螺旋系刚度矩阵;随后,又根据机构动平台力平衡条件得到了该机构整体刚度矩阵和柔度矩阵,建立了该并联机构刚度模型;最后,利用MATLAB软件对该并联机构刚度模型进行了数值求解,结果表明该并联机构约束力/力偶螺旋产生的变形相对较大且占主导地位,在机构刚度分析中不可忽视.     

3-RRR并联机构动力学参数辨识模型

根据运动学模型,推导了3-RRR并联机构的雅可比矩阵.在每一个运动构件上选择一个适当的关键点,从而使运动构件的偏角速度矩阵和关键点的偏速度矩阵中不包含基本动力学参数.相对于这些关键点,计算出每一个运动构件的惯性力和力矩.基于虚功原理,从惯性力和力矩中提取基本动力学参数,推导出3-RRR并联机构动力学参数辨识模型.     

考虑综合性能的平面3-RRR并联机构优化设计

为得到具有良好综合性能的平面3-RRR并联机构,提出一种简单、快捷的优化设计方法。首先,将平面3-RRR并联机构的尺寸进行无量纲化,建立设计空间平面图。其次,在设计空间中分别作出机构的全局条件数、全局速度以及全局刚度三个性能指标的性能图谱,分别对三个指标的性能图谱进行分析。最后,根据三个性能指标的性能图谱确定多目标优化的权系数以及约束方程,从而建立优化模型,运用基因算法完成优化。结果显示,该方法能够达到优化目标。     

一种少自由度并联机构静刚度研究

并联机构,尤其是用于机加工的并联机床都需要很高的刚度要求,因此建立其刚度模型就显得尤为重要。现有的刚度建模方法多是基于集中刚度模型,但是该方法的物理意义不够明确。基于螺旋理论建立了一种少自由度并联机构的刚度模型,该方法将驱动刚度和约束刚度区别对待,物理意义明确。通过计算并联机构空间自由度,并利用螺旋方程的反螺旋解法,得出并联机构的运动雅可比矩阵和约束雅可比矩阵,经组合得到少自由度并联机构的完全雅可比矩阵,从而建立了其静刚度模型。建立的静刚度模型可以作为少自由度并联机构的性能评价指标,同时又可以为分析其他过约束的少自由度并联机构提供理论支持。     

一种新型具有闭环单元的高刚度冗余并联机构

提出一种单支链含闭环五杆结构单元的新型3-5RS并联机构,该机构结构简单,求解容易。利用封闭矢量环法计算位置正反解,基于杆长约束方程求导得到了速度以及加速度输入输出方程,建立速度雅可比矩阵。给出机构在一般构型下的工作空间,基于雅可比矩阵分析了机构的静刚度,结果显示该机构相比于支链为开环结构的3-RRS并联机构,其刚度性能明显提高。针对工业生产中的连续直线加工任务进行轨迹规划,仿真结果验证了理论计算和模型建立的正确性以及机构实现运动的能力。     

3-RRS球面并联机构的静刚度分析

3-RRS机构是三自由度球面并联机构3-RRR的新构型之一,可作为人形机器人仿生肩关节的原型机构,因各支链的构件为球面上的曲杆,其刚度计算十分复杂.采用(杆件)变形法与小变形叠加原理,推得机构动平台的角位移、球心点线位移;利用机构静力学计算的结果,即各支链两构件上的力与动平台上外载荷的关系,建立了机构动平台上(球心点的)的位移与外载荷关系,进而求得机构的整体柔度、刚度矩阵;采用正交变换使刚度矩阵对角化,得到机构的6个主刚度指标及其所在的方向.研究结果为该机构的工程设计和应用提供了理论基础.     

3-RRR平面并联机器人工作空间边界求解和灵活性研究

提出了求解平面并联机器人工作空间边界的基于迭代搜索法的圆周式搜索算法,并分析了其灵活性指标。通过对3-RRR平面机器人工作空间的分析,根据迭代搜索法,在判别方程存在逆解的条件下,以圆周式搜索算法确定一系列的边界点,所得结果与运用几何方法得到的结果一致。利用末端执行器上点的速度来表示机构的运动,得出了受限制的、量纲一致的雅可比矩阵,从而衡量平面并联机器人的灵活性,并借助于Matlab绘图,直观地反映了新的雅可比条件数在工作空间内的分布情况。根据所得的雅可比矩阵,可以得到更准确的灵活性指标。     

基于3-RRR结构的光学元件柔顺微动调整机构的位姿正解

针对光刻投影物镜中光学元件X/Y/θ微动调整的工程需求,研制了一种基于3-RRR结构的光学元件柔顺微动调整机构,并对其位姿正解进行了研究。建立了3-RRR柔顺并联机构的伪刚体模型,并采用矢量代数法理论推导了该机构的位姿正解,得到了它的理论雅克比矩阵。然后,在NASTRAN中建立了3-RRR柔顺并联机构的有限元模型,得到了仿真环境下该机构的位姿正解和雅克比矩阵。最后,对研制的3-RRR柔顺并联机构进行了实验研究,得到了该机构真实的位姿正解和雅克比矩阵。实验结果表明,实验雅克比矩阵的各项系数分别为0.577 7、-0.304 0、-0.283 3、0.002 1、0.524 6、-0.516 5、1.402 6、1.481 9、1.435 3,而理论雅克比矩阵相对应的各项系数分别为0.612 9、-0.3065、-0.306 5、0、0.530 8、-0.530 8、1.444 6、1.444 6、1.444 6,得到的数据表明:采用矢量代数法能够理论推导出该机构正确的位姿正解公式。提出的3-RRR柔顺微动调整机构位姿正解方法为微动调整机构的研制提供了设计依据。     

3-（2SPS）并联机构静刚度分析

结合并联机构的位移方程,给出了机构的三阶逆雅可比矩阵以及考虑微小运动时的六阶逆雅可比矩阵。从动平台所受作用力和发生位移的关系角度,建立了刚度模型,并给出了机构静刚度的度量指标。通过相关计算分析了机构的主要结构参数对刚度的影响,以及机构在工作空间的刚度情况。通过对绘制的相关曲线图进行分析,评定了机构参数的影响范围,优化了部分参数,并为机构的精度分析提供了理论基础。     

Force transmission analyses with dimensionally homogeneous Jacobian matrices for parallel manipulators

To avoid the unit inconsistency problem in the conventional Jacobian matrix, new formulation of a dimensionally homogeneous inverse Jacobian matrix for parallel manipulators with a planar mobile platform by using three end-effector points was presented (Kim and Ryu, 2003). This paper presents force relationships between joint forces and Cartesian forces at the three End-Effector points. The derived force relationships can then be used for analyses of the input/output force transmission. These analyses, forward and inverse force transmission analyses, depend on the singular values of the derived unit consistent Jacobian matrix. Using the proposed force relationship, a numerical example is presented for actuator size design of a 3-RRR planar parallel manipulator.     

Workspace optimization and kinematic performance evaluation of 2-DOF parallel mechanisms

This paper presents the kinematics and workspace optimization of the two different 2-DOF (Degrees-of-Freedom) planar parallel mechanisms: one (called 2-RPR mechanism) with translational actuators and the other (called 2-RRR mechanism) with rotational ones. First of all, the inverse kinematics and Jacobian matrix for each mechanism are derived analytically. Then, the workspace including the output-space and the joint-space is systematically analyzed in order to determine the geometric parameters and the operating range of the actuators. Finally, the kinematic optimization of the mechanisms is performed in consideration of their dexterity and rigidity. It is expected that the optimization results can be effectively used as a basic material for the applications of the presented mechanisms to more industrial fields.     

3-(2SPS)三平动并联机构局部承载能力分析

少自由度并联机构应用于机床上时要求具有较好的承载能力,而其承载能力与机构的雅可比矩阵密切相关,应用机构学理论求出其力雅可比矩阵,定义承载能力性能指标,得出了该指标在工作空间内的分布情况,并分析了局部承载能力性能指标与结构参数之间的关系,为该型并联机构的设计与开发提供了依据。     

3-（2SPS）三平动并联机构局部承载能力分析

少自由度并联机构应用于机床上时要求具有较好的承载能力,而其承载能力与机构的雅可比矩阵密切相关,应用机构学理论求出其力雅可比矩阵,定义承载能力性能指标,得出了该指标在工作空间内的分布情况,并分析了局部承载能力性能指标与结构参数之间的关系,为该型并联机构的设计与开发提供了依据。     

基于雅克比矩阵的并联机器人运动学性能分析

基于雅克比矩阵的机构运动特分析对于并联机构的设计具有重要指导意义。本文主要介绍3-UPS/RRR并联机构的运动特性,首先建立机构的雅克比矩阵,利用雅克比矩阵建立机构的可操作度指标,其次借助可操作度指标对在不同姿态下的机构可操作度进行评估。通过MATLAB仿真结果表明,该机构具有良好的可操作性能。     

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。     

移动型3—UPU并联机构的刚度分析

分析了移动型3—UPU并联机构刚度矩阵的特点和刚度矩阵主轴的变化规律。结果表明,并联机构几何参数的变化只对工作空间的大小和形状有影响,而对刚度矩阵的特征向量大小及方向几乎没有影响,最小刚度方向分布在垂直于静平台平面的锥体内。移动型3—UPU并联机构刚度矩阵分析对并联机构的设计具有一定的指导作用。     

4自由度并联机器人刚度分析

少自由度并联机构应用于机床上时要求具有很高的刚度,而少自由度并联机器人的刚度和机器人雅可比矩阵有很密切的关系。采用螺旋理论方法求出了4-RUC 4自由度并联机构的雅可比矩阵,推导出4自由度并联机器人的刚度计算公式和条件指数计算公式,分析了少自由度并联机器人在某一位置时(z=0)最大和最小刚度所在的方向,给出了这种4自由度并联机器人的最大和最小刚度曲线,通过曲线可以评价出此并联机构在各个方向上刚度大小,为这种机器人的应用和开发提供了有力的依据。