混合驱动柔索并联机器人的设计与分析

为了使柔索并联机器人高效率、大负载、高性能的运动输出,根据并联机器人机构结构综合理论,设计一种新型混合驱动柔索并联机器人机构,给出机构虚拟样机模型,该机构通过混合驱动平面五连杆并联机构驱动柔索牵引末端执行器完成期望轨迹跟踪运动。基于牛顿—欧拉方法,建立混合驱动柔索并联机器人系统的动力学方程,结合实例进行力学分析和数值仿真。结果表明,混合驱动柔索并联机器人机构设计合理,数学模型正确,为混合驱动柔索并联机器人物理样机设计制造和控制系统的设计提供了理论依据。     

双足机器人并联踝关节优化设计

通过对人的踝关节运动机理分析,设计一种新型的双足机器人踝关节并联机构。建立并联机构的参数化模型,并对该模型进行运动学和动力学分析,得出该并联机构的一阶影响矩阵、伸缩运动的驱动力与零力矩点(Zero moment point, ZMP)轨迹关系。由于实际双足机器人行走时踝关节驱动力矩与角速度差异较大,为解决双足机器人步态行走中踝关节的动力学不平衡特性,结合并联机构的运动特点,迭代计算优化并联机构的结构参数,使踝关节两个驱动元件的驱动功率峰值和速度趋于一致。进行双足机器人步行试验研究,结果表明,优化后的并联结构踝关节的驱动功率峰值是串联结构下功率峰值的50 %左右,降低驱动元件的功率设计要求。在满足双足行走时踝关节的运动性能要求下选择小功率的驱动元件,有利于减小关节的体积和质量,减小能耗。     

多能域过约束并联机器人系统动力学建模方法*

采用旋量键合图建立球面2-DOF过约束并联机器人机电两种能量并存系统动力学模型,该方法相对传统力学原理动力学建模方法的优点是建模过程规则化,能够得到适合于现代控制理论的空间并联机构状态方程。所建动力学模型只有36个方程,但由于被动过约束(公共约束和冗余约束)和主动过约束(冗余驱动)的存在,共有43个未知量需要求解。为此,针对被动过约束问题,分析三个分支变形引起末端相对于球心O的位移量,增加了6个变形协调补充方程;针对主动过约束问题,提出了采用输入力优化的方法,增加了1个补充方程,最终得到了该机器人完整的多能域系统动力学全解模型。通过数值算例,验证了该方法的可行性和合理性。该方法可以推广到其他包含机、电、液、气的多能域过约束并联机器人系统,为该类多能域机器人系统动力学建模分析提供了一种新的思路。     

计算机辅助几何技术用于并联机器人机构学研究方法论

提出将计算机辅助几何技术用于并联机器人机构学研究的基本理论和方法。基于CAD几何约束和尺寸驱动技术原理,建立并联机器人模拟机构,该模拟机构的运动特性与装配成的三维机构实体完全等效。研究表明,计算机辅助几何技术用于并联机器人机构学的研究不仅具有简捷直观、求解精度高和重复性好的优点,而且无需解析求解和辅助编程就可完成并联机构的型综合和运动特性分析,为研制更多实用的新型并联机器人提供有效的工具。     

球面两自由度冗余驱动并联机器人弹性动力学分析

建立了球面2-DOF冗余驱动并联机器人弹性动力学模型。将机器人系统的6个空间弯杆划分为6个子结构,考虑空间弯杆的弯曲、拉伸和扭转变形,基于有限元法求出了各子结构的弹性动力学模型;根据转动副的约束特点以及各分支与输出轴的变形协调约束关系,将子结构组装成3个分支并进行装配,得到系统的弹性动力学模型;将理论计算与有限元仿真得到的机构在初始位置时的固有频率进行对比,验证了系统弹性动力学模型的正确性。通过对比分析球面2-DOF非冗余与冗余驱动并联机器人输出端的动态响应,验证了冗余驱动的引入可以明显减小机器人输出端的最大弹性位移。研究结果为含有空间弯杆并联机器人的结构优化设计以及振动分析提供了理论依据。     

一种新型腿部机构自由度分析与驱动输入研究

提出了一种新型非对称四自由度并联步行机器人腿部机构,根据驱动方式可将并联腿部机构看作由两个虎克铰串联而成,通过4个无约束分支将两个串联虎克铰的转动驱动置换为靠近运载平台的直线驱动以完成抬腿动作.将驱动置于背部,可减少腿部的运动惯量,同时实现关节空间和驱动空间分离,可用于对驱动进行特殊防护的太空和核电等环境.并联结构的非对称布置有利于直线驱动更针对性地对动平台(小腿)在矢状面的运动进行控制.对并联腿部进行描述并建立坐标系,根据螺旋理论建立了腿部机构的运动螺旋系和约束螺旋系,分析了腿部机构的自由度,明确了机构所受的约束力,并对驱动输入选择的合理性进行了验证.为腿部结构设计提供了新的思路,也为后续开展该并联机构的运动学及动力学分析工作奠定了基础.     

柔性并联机器人的动力规划

讨论了柔性并联机器人的动力学规划问题。首先,对柔性并联机器人的运动学进行了分析。其次,提出了以驱动力矩最小为规划目标的数学模型。最后,进行了柔性并联机构动力规划的算例分析。结果显示,进行柔性并联机器人的动力规划,可以显著减少系统的驱动力矩波动和大小。可为柔性并联机构的动力学特性分析、控制和实际工程应用等提供必要信息。     

6-PTRT并联机器人动力学建模与优化

根据6-PTRT并联机器人机构及约束特点,对动平台及各支链进行运动学分析,利用虎克铰特性建立各支链动坐标系,计算各运动部件瞬态惯性张量,采用KANE方法推导出该并联机器人动力学模型。利用MATLAB软件和ADAMS软件联合仿真,验证所建立动力学方程的正确性。应用Akima插值法对动力学响应进行优化,结果表明,利用优化后动力学响应驱动各支链可有效提高机构运行稳定性。利用KANE方法建立动力学模型并用Akima插值法优化动力学响应能有效减少计算步骤,并得到平滑的动力学响应曲线,为并联机器人轨迹规划、动力学特性分析及高精度控制提供理论依据。     

机器人机构动力学正问题的键合图法

介绍机器人机构动力学正问题的键合图法,推导出便于计算机自动生成的完整形式的机器人机构驱动力矩及关节约束反力的统一计算公式。结合实例给出机器人机构的键合图表示方法。将关节约束反力视为未知势源加在机器人机构键合图模型相应的０－结处,克服微分因果关系给建立机器人机构驱动力矩及关节约束反力统一公式所带来的极大的代数困难。通过实例表明本方法的有效性。     

一种新型自行车机器人机构设计及其建模

针对自行车机器人运动的侧向不稳定性,模仿人骑自行车的动力学特征,充分利用并联机构的结构紧凑、刚度大、响应速度快、承载能力强的特点,提出了一种基于2-RHR型冗余驱动并联机构进行自行车机器人侧向稳定调节的方法,系统地阐述了并联机构侧向调节方式的可行性和优越性.最后,运用第一类拉格朗日方程建立了系统动力学模型,为进一步的动力学及控制策略研究奠定了基础.     

基于ADAMS的并联机器人动力学仿真

应用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS,建立了一种并联机构的虚拟样机模型。对并联机器人进行动力学分析,为并联机器人系统的设计、制造和模拟运动作业提供了理论依据和主要参数。     

一种并联机器人误差综合补偿方法

针对并联机器人轨迹规划和轨迹跟踪过程中,同时存在机构误差引起的期望轨迹与理想轨迹之间的偏差和非线性摩擦、负载变化等扰动因素引起的动态误差,提出一种并联机器人误差综合补偿方法:在轨迹规划过程中,基于并联机器人位姿误差模型将位姿误差补偿转化为驱动杆参数组合优化问题,进而利用粒子群算法寻优驱动杆参数,修正并联机器人期望轨迹;在轨迹跟踪过程中,设计基于自适应迭代学习控制算法的动态误差补偿策略,实现对期望轨迹的有效跟踪。在Stewart平台下基于ADAMS和Matlab进行仿真试验,在轨迹规划和轨迹跟踪过程中,分别修正期望轨迹偏差并补偿轨迹跟踪动态误差,实现并联机器人误差综合补偿。进一步,基于混联机床进行工件加工试验,验证方法对于提高并联机器人工作精度的有效性。     

约束机构在柔索并联机器人设计中的应用

柔索并联机构是一类新型的机构 ,具有一些优于其他机构的特点 ,但因柔索特性的限制 ,可实现的运动形式较少。本文通过增加约束机构对运动平台运动进行限制 ,扩大了柔索并联机构的应用范围。文章提出约束机构的概念 ,讨论了约束机构的种类 ,并进行奇异位形的分析。     

三平移弱耦合并联机器人机构机型及位置精度分析

针对基于混合单开链的三平移弱耦合并联机器人机构机型设计的一种新方法，阐述了动平台可实现三平移的实用新机型的设计过程。基于并联单开链求交思想，给出了静平台上三个转动副为主动副、具有弱耦合的多种新的基本机型。针对该类机构建立运动学模型和误差模型，研究了影响该类机构并联机器人操作器精度的因素，由于该类机构具有弱耦合特性，使得用软件方法提高机构精度值变得方便易行。运用正交网格方法分析了各杆长及参数对末端精度的影响程度，找到了影响该机构误差的主要因素，为提高该类并联机构机器人末端输出精度提供了依据，具有很大的实用价值。     

Trajectory tracking control of a 3-CRU translational parallel robot based on PD+robust controller

In order to suppress the external disturbances existing in the trajectory tracking process of the 3-CRU parallel robot, a trajectory tracking control method based on PD+robust controller is proposed in this paper. The kinematic model of the 3-CRU parallel robot is established to solve the kinetic energy and potential energy of the system. The basic dynamic model of the 3-CRU parallel robot is obtained based on Lagrangian formulation, and the complete dynamic model of the parallel robot is established by introducing Coulomb and viscous friction. Based on the analysis of the factors affecting the stability of PD controller, a trajectory tracking control method based on PD+robust controller is proposed, and it is proved theoretically that the system converges stably and has a good external disturbance suppression effect. The method has the characteristics of easy implementation and strong applicability of PD controller and strong robustness of robust controller. Experimental results prove the effectiveness of this method.

     

柔性并联机器人动力学特性的灵敏度分析

为了获得精确的柔性并联机器人动力学特性的灵敏度分析结果,通过对柔性并联机器人动力学模型的分析,提出了基于微分法的动力学特性灵敏度分析方法,计算精度比差分法提高25%,计算时间缩短了86%。分析了柔性并联机器人动力学特性对各设计参数的灵敏度。柔性并联机器人的动力学特性对连架杆的截面积、构件集中质量及各杆件截面的厚度比较敏感。利用灵敏度微分法计算了设计参数发生微小变化后的动态响应值及固有频率值,在误差小于7%的情况下,计算时间缩短了95%。以3-RRR柔性平面并联机器人为例,说明微分法是准确、有效的。分析动力学特性灵敏度对柔性并联机器人的弹性动力综合和优化设计有重要意义。     

新型三平移并联机器人主动副等效干扰力矩分析

新型三平移并联机器人具有较高的实用价值。基于其位置分析及动力学分析，求解了该机器人动平台在各种平移运动时各支路主动副主要等效干扰力矩，并通过Matlab仿真，给出了分析结果。仿真表明，其主要等效干扰力矩的计算量远远小于直接采用动力学方程关系的计算量，因此可用于各支路主动关节的实时控制。克服了各支路分别单独控制时一般难以预先考虑其他支路干扰作用的缺陷，从而为实现该并联机器人的高精度实时控制奠定了基础。     

新型6自由度并联微动机器人微运动学及其运动解耦性分析

利用坐标变换法，建立了新型6自由度并联微动机器人的微运动学模型，并对其运动解耦性进行分析；采用不同的初始驱动位移量和驱动方式，对该机器人的有限元模型进行分析，进一步讨论了其微运动学上的解耦性，最后对研制的微动机器人样机进行了运动解耦性测试和验证。该并联微动机器人的运动解耦，为其动力学分析、控制及其标定的简化提供了理论基础。     

基于李群理论的并联码垛机器人构型综合

码垛机器人是一种用于生产线上物料堆垛与机床上下料的机器人,现有的码垛机器人多采用串联结构,而串联结构又具有误差累计大、刚度差、精度差等缺点。并联机构是一种动静平台通过多条支链联接而成的机构,具有刚度大、误差累积小、负载能力强等优点,将并联机构引入码垛机器人领域有望解决现有的串联码垛机械手的误差累积大、刚度差等问题。而现有的并联机构还未成熟,尤其是可用于码垛行业的构型明显不足。采用李群理论进行了并联码垛机器人的构型综合,获得了多种能满足搬运码垛任务的并联机构。     

Design optimization of a 2-DOF parallel kinematic machine based on natural frequency

In this paper, kinematics, workspace, and dynamic analysis of a two degree of freedom (2-DOF) translational parallel robot are carried out. The mechanism of the 2-DOF translational parallel robot consists of four links. Links 1 and 2 consist of three revolute joints and link 3 and 4 consist of three revolute joints and one prismatic joint. These four links are attached to the end effector. The inverse kinematics analysis is carried out to find the joint positions for a particular position of the moving platform. Using stiffness and dynamic mass matrices, the natural frequencies of the parallel kinematic machine (PKM) are obtained. Since the first natural frequency is responsible for higher vibrations, the first natural frequency is considered as performance measure of the PKM i.e. global natural frequency index (GNFI). Using GNFI as the objective, the optimal dimensions of the PKM are obtained.