基于运动限定机构的可重构并联机构设计

分析在特殊杆长条件下一种运动限定机构的运动特性。在不同的构型下,运动限定机构可以分别执行一个转动加一个平移运动、一个平移运动、一个转动运动。将运动限定机构与具有两个转动和两个移动运动的串联支链相结合,设计出一类具有可重构特性的混联支链。基于李群理论,得到了混联支链在不同构型下运动的群论表达式。利用三条同样的混联支链连接动平台和定平台,得到了一类新型可重构并联机构。当所有混联支链中的运动限定机构处于奇异位置时,可重构并联机构具有瞬时的6自由度。通过控制运动限定机构运行至不同的构型,可重构并联机构能切换至不同的自由度模式,可以执行四种不同特性的3自由度运动。     

基于螺旋理论的三移两转混联解耦机构型综合

针对3T2R混联解耦机构的构型综合问题,提出一种基于螺旋理论的混联解耦机构构型综合方法。首先基于运动基组合分配理论,给出3T2R五自由度混联机构所有可能的结构类型;然后基于螺旋理论和支链独立驱动原则提出完全解耦并联机构构型综合方法,运用该方法可以实现各类少自由度完全解耦并联机构的构型综合;再将综合的完全解耦并联单元构型到已有的混联构型中,得到解耦混联机构构型,并用该方法完成了3T2R类五自由度混联解耦机构构型综合;最后根据约束几何分析法分析了所综合的一种混联机构的瞬时特性,给出了运动学分析,推导了机构的雅可比矩阵,验证了机构的解耦特性。     

可重构解耦并联移动机器人构型综合及性能分析

为提高机器人承载能力,减少驱动电动机能量消耗且使轮腿模式切换平稳高效,提出了一种可重构解耦并联移动机器人构型,并对其进行了构型综合研究及解耦性和奇异性分析。根据机器人机械腿期望自由度,综合出4种主运动支链;基于螺旋理论的去约束法,综合出58种约束支链;基于螺旋理论的虚拟链法,综合出3R球面并联机构作为机械腿承载支链。随后,给出两个机器人实例。以其中一个机器人为例,建立输入-输出方程,分析了机械腿解耦性;通过反证法,验证了可重构单元的奇异位形,并基于Grassmann线几何判断出奇异类型。最后,分析了承载支链的奇异性对于机械腿运动输出的影响。结果说明,机器人机械腿采用并联支链构型,具有较强的承载能力;机器人基于约束奇异方式实现轮腿切换,可使得切换动作更加平稳;机械腿的可重构性可使得驱动电动机能量消耗减少;机械腿各驱动相互解耦,降低了控制难度,使得机械腿轮腿模式切换更加高效。     

基于变约束旋量原理的变胞机构构型综合

变胞机构具有变结构和变功能特性。对满足变胞条件的运动链进行综合,是变胞机构结构学研究的难点。基于机构分析理论和变胞原理,对变胞机构的组成进行分析,定义变胞支链和变胞机构的概念。根据变胞机构中变胞支链数目的不同,提出三种变胞机构类型:单变胞支链型、多变胞支链型和全变胞支链型。将变胞机构变拓扑的实质归纳为机构所受约束的变化,使对变胞机构的综合转化为含变约束串联支链的变胞源机构综合。将约束旋量原理引入变胞机构的构型综合,采用数学分析方法,阐述变胞源机构与子构态机构之间的关系,给出构态变化条件及变约束旋量方程的数学表达式,形成基于变约束旋量原理的变胞机构综合理论及其一般过程。以空间变胞并联仿生关节机构为例,运用变约束旋量原理对其进行构型综合,求解出所有可能的支链约束组合,列举满足对应约束条件的多种支链运动副形式,得到多种具有被动径向移动自由度的球面关节机构,联同平面双层折纸变胞机构示例,验证了变约束旋量原理对变胞机构综合的有效性和正确性。     

含可重构动平台的新型并联变胞腿机构设计

变胞机构在不同工作阶段会呈现拓扑结构形式不同的运动构态,为便于描述变胞机构各运动构态之间的关系,提出了变胞机构全构态的概念,据此提出了变胞并联机构的构型综合原理,即首先综合出变胞机构的全构态机构,然后由全构态机构经由其约束的增加(或自由度的衰减)演变为某一具体构态机构。构建了基于单自由度空间闭链机构的可重构动平台,据此实现了变胞并联机构的多运动构态切换。根据提出的变胞并联机构构型综合原理,对一种可实现三/四自由度构态切换的新型变胞并联机构进行了构型综合,然后将三重对称Bricard空间闭链机构作为变胞机构的可重构动平台,设计出了一种新型变胞并联腿机构。     

5自由度大工作空间/支链行程比混联机械手的概念设计与尺度综合

研究一类新型5自由度可重构混联机械手的创新设计和尺度综合问题,该机械手模块由-2自由度球面并联机构和一条通过滑移副与之串接的两转动-移动串联运动链组成.该混联机械手由于将定点转动与相对滑移运动解耦,因此具有工作空间/支链行程比大的特点,适合高速轻载作业,可作为即插即用模块用于搭建不同类型的加工制造装备.在建立2自由度球面并联机构的速度映射模型的基础上,分析该机构的奇异性和各向同性问题,并以速度雅可比矩阵最小奇异值的全域均值为操作性能指标,研究2自由度球面并联机构的尺度综合问题.通过单调性分析揭示出尺度参数对该指标的影响规律,进而将尺度综合问题简化为求解杆长等式约束问题.最后给出一组算例,使该尺度综合方法的有效性得到验证.     

一种可重构并联机构的几何约束和自由度分析

提出一种可重构空间五杆机构,其具有两种不同的工作模式,模式一为平面二自由度运动,模式二为一个转动运动,两种运动模式进行切换的初始位形具有瞬时的平面二自由度运动和一个转动。将可重构空间五杆机构与一个具有一个转动副和一个球副的串联支链相连,构成一种具有两种不同工作模式的可重构混联支链。利用三条可重构混联支链连接并联机构的运动平台和固定平台,得到一种可重构并联机构,通过控制可重构空间五杆机构在不同工作模式间切换,可重构并联机构可实现四种不同的运动模式。利用螺旋理论分析和证明了上述结论。     

新型3自由度并联机构的设计与分析

基于机构的概念,将一种正方体折纸盒折痕等效为铰链,连接折痕的纸板等效为连杆,抽象出新型3自由度并联机构.该新型并联机构由定平台、动平台和4个连接支链组成,各支链结构完全相同,且都含有1个具有特殊结构的六杆球面变胞机构闭环子链.介绍此新型并联机构结构设计,其特点是结构完全对称,只含有单自由度转动运动副.详细描述各支链中闭环子链的结构特点、一般构态及其自由度数.应用螺旋理论,分析运动支链中闭环子链的自由度特性.根据广义运动副的概念,用广义运动副替代各支链中的六杆球面变胞机构,并分析各运动支链末端约束.依据该并联机构的结构对称性,分析其动平台的自由度数和相应的自由度特性,得到动平台相对于定平台具有2个转动和1个移动自由度,并具有连续转轴.     

锻造操作机提升机构设计方法

基于螺旋理论并结合工程实际对锻造操作机的构型设计进行系统、深入的研究,构造多种串并联形式的混联结构锻造操作机提升机构构型。这些锻造操作机提升机构的升降和俯仰运动采用平面五杆机构实现,侧移运动采用一种典型DANGO&DIENENTHAL(DDS)锻造操作机的侧移系统实现,大车前进方向的移动和侧摆由悬挂系统实现。所以这些锻造操作机提升机构解耦性能高,均为实际应用中可以考虑的构型。根据实际工程经验可知,锻造操作机的悬挂系统为由前悬挂部分和后悬挂部分组成的并联机构,前悬挂部分由两根对称的悬挂杆组成,后悬挂部分由单根悬挂杆或两根对称的悬挂杆组成。将悬挂并联机构型综合分为后悬挂部分含单根悬挂杆和两根悬挂杆两种情况进行讨论,采用基于螺旋理论的约束综合法,构型得到了四种悬挂并联机构构型,其中三种构型为无过约束机构,应用前景广泛。     

一种新型9-3可重构并联机构的设计、拓扑特性与重构分析

可重构并联机构具有变自由度及变构型的优点,设计了一种零耦合度、含3条冗余支链的新型9-3可重构并联机构。基于方位特征方程的并联机构拓扑结构设计理论与方法,创建了并联机构拓扑分析的模块化公式,并解析了机构的拓扑特性。基于一种可转换主、从运动及锁合的变胞移动副,利用主动模式与从动模式,将9-3型可重构并联机构转换为6-3A和6-3B这两种构型,并计算了它们的拓扑指标。结果显示,它们的耦合度分别为0和1。利用锁合模式,将6-3A型并联机构进行重构,得到了5类少自由度并联机构。特别地,以一种三自由度重构构型为例,详细分析了其拓扑特性。     

Constraint-plane-based synthesis and topology variation of a class of metamorphic parallel mechanisms

This paper investigates various topologies and mobility of a class of metamorphic parallel mechanisms synthesized with reconfigurable rTPS limbs. Based on the reconfigurable Hooke (rT) joint, the rTPS limb has two phases which result in parallel mechanisms having ability of mobility change. While in one phase the limb has no constraint to the platform, in the other it constrains the spherical joint center to lie on a plane which is used to demonstrate different topologies of the nrTPS metamorphic parallel mechanisms by investigating various relations (parallel or intersecting) among the n constraint planes (n = 2,3,..,6). Geometric constraint equations of the platform rotation matrix and translation vector are set up based on the point-plane constraint, which reveals mobility and redundant geometric conditions of the mechanism topologies. By altering the limbs into the non-constraint phase without constraint plane, new mechanism phases are deduced with mobility change based on each mechanism topology.     

基于拓扑解耦准则的球面并联机构解耦条件研究

具有输入输出解耦特性的并联机构,由于其易于控制,深受欢迎。基于提出的并联机构拓扑解耦准则,针对一种球面解耦并联机构进行了解耦性分析,给出了该机构更一般的解耦条件;更进一步,基于拓扑解耦准则构造了一种更一般的新型球面解耦并联机构。基于拓扑解耦准则进行并联机构解耦特性分析和型综合的方法,对具有拓扑解耦特性并联机构的创新设计和应用具有深远意义。     

Design of a novel side-mounted leg mechanism with high flexibility for a multi-mission quadruped earth rover BJTUBOT

Earth rover is a class of emerging wheeled-leg robots for nature exploration. At present, few methods for these robots’ leg design utilize a side-mounted spatial parallel mechanism. Thus, this paper presents a complete design process of a novel 5-degree-of-freedom (5-DOF) hybrid leg mechanism for our quadruped earth rover BJTUBOT. First, a general approach is proposed for constructing the novel leg mechanism. Subsequently, by evaluating the basic locomotion task (LT) of the rover based on screw theory, we determine the desired motion characteristic of the side-mounted leg and carry out its two feasible configurations. With regard to the synthesis method of the parallel mechanism, a family of concise hybrid leg mechanisms using the 6-DOF limbs and an L_1F1C limb (which can provide a constraint force and a couple) is designed. In verifying the motion characteristics of this kind of leg, we select a typical (3-UPRU&RRRR)&R mechanism and then analyze its kinematic model, singularities, velocity mapping, workspace, dexterity, statics, and kinetostatic performance. Furthermore, the virtual quadruped rover equipped with this innovative leg mechanism is built. Various basic and specific LTs of the rover are demonstrated by simulation, which indicates that the flexibility of the legs can help the rover achieve multitasking.     

利用约束螺旋理论综合的空间对称2-DOF并联机构

首先按运动功能对两自由度空间并联机构进行分类,得到了空间2Ryz型（绕y轴和z轴转动)和1Rz1Tz型(绕z轴转动和沿z轴移动）的两自由度机构;给出了两类并联机构的分支约束螺旋系和机构约束螺旋系,以及保证所有分支约束螺旋的合成是期望的机构约束螺旋系的几何条件。对这两种空间并联机构运用约束螺旋综合理论进行系统的型综合,得到了可实现连续运动的具有绕定平台平面内两轴转动的并联机构以及沿着定平台法线方向移动和绕其转动的两自由度并联机构;得到了两自由度并联机构各种类型的分支链结构,以及两类机构的结构约束特性。将少自由度对称并联机构类型由原来的9类扩充到11类,丰富了机构类型。     

INVERSE KINEMATIC AND DYNAMIC ANALYSIS OF A 3—DOF PARALLEL MECHANISM

According to the structure character of the passive sub-chain of the 3TPS-TP parallel mechanism, the kinematic constraint equations of the movable platform are established, based on which the closed-form inverse kinematics formula of the parallel mechanism are presented. Through parting the spherical joints of the active sub-chains and using the force and moment equilibrium of both the active sub-chains and passive sub-chain, the constraint forces acting on the parted joints are determined. Subsequently, the analytic expressions of the actuator driving forces are derived by means of the force equilibrium of the upper links of active sub-chains.     

Integrating mechanism synthesis and topological optimization technique for stiffness-oriented design of a three degrees-of-freedom flexure-based parallel mechanism

This paper introduces a new design approach to synthesize multiple degrees-of-freedom (DOF) flexure-based parallel mechanism (FPM). Termed as an integrated design approach, it is a systematic design methodology, which integrates both classical mechanism synthesis and modern topology optimization technique, to deliver an optimized multi-DOF FPM. This design approach is separated into two levels. At sub-chain level, a novel topology optimization technique, which uses the classical linkage mechanisms as DNA seeds, is used to synthesize the compliant joints or limbs. At configuration level, the optimal compliant joints are used to form the parallel limbs of the multi-DOF FPM and another stage of optimization was conducted to determine the optimal space distribution between these compliant joints so as to generate a multi-DOF FPM with optimized stiffness characteristic. In this paper, the design of a 3-DOF planar motion FPM was used to demonstrate the effectiveness and accuracy of this proposed design approach.     

Type Synthesis for 4-DOF Parallel Press Mechanism Using GF Set Theory

Parallel mechanisms is used in the large capacity servo press to avoid the over-constraint of the traditional redundant actuation. Currently, the researches mainly focus on the performance analysis for...     

面向踝部康复的广义球面并联机构型综合

针对现有踝关节康复机器人难以充分拟合踝关节复杂运动,人机相容性较差的问题,提出一系列与踝关节实际骨结构匹配程度更高的串联等效拟合模型。为满足踝关节串联等效拟合模型对康复机器人机构本体的功能需求,给出一种具有串联等效拟合模型的广义球面并联机构型综合方法。首先枚举出广义球面机构的基本构件及运动副,并依此构造出广义球面支链。继而基于螺旋理论分析单支链以及多支链组合对动平台的约束性能,给出支链的组合条件与原则,阐明不同支链在机构中作用的异同,并依此归纳出位置支链和姿态支链两类广义球面基本支链。最后基于基本支链的约束特性,根据支链组合条件,综合出一系列适用于踝关节康复机器人本体研究的广义球面并联机构,并通过螺旋理论证明其与踝关节串联等效拟合模型的自由度数及性质具有一致性,为此类康复机器人本体设计提供理论依据。     

三转一移解耦并联机构型综合

通过分析解耦并联机构的输入输出特点,基于支链独立驱动原则和螺旋理论提出了三转一移(3R1T)解耦并联机构构型综合方法。首先,基于解耦并联机构的雅可比矩阵为非零对角阵的要求,利用螺旋理论构造出满足期望要求的正逆雅可比矩阵,以确定支链驱动副作用于动平台上的使动螺旋,再得到该使动螺旋对应支链上的表示驱动副的驱动螺旋和除驱动螺旋之外的其他运动螺旋系,根据支链连接度的不同,可完成支链结构螺旋系的配置;最后根据解耦并联机构分支组合原则,依次选取四条支链连接动平台和定平台,得到3R1T解耦并联机构。综合的解耦并联机构的输出运动是由支链上独立的输入驱动提供的,属于解耦并联机构,此类机构结构紧凑,控制简单,具有一定的应用前景。