基于变胞铰链的并联机构结构设计与构型分析

为了拓展变胞机构的种类,提出了一种变胞运动单元,该变胞单元采用三个旋转关节,并且三个旋转关节可以通过位置调节形成等效球铰、虎克铰以及转动副。与传统的锁定运动副来实现变胞功能的变胞单元相比,此变胞单元三种构型的切换只需对轴线位置调整,无需额外增加关节锁死电机。通过研究由线矢量构成的螺旋系统的相关性,揭示了变胞运动单元构态变化的基本原理。提出了可用于构造新型变胞并联机构的支链构型设计方法,并基于螺旋的互易性分析了各支链构型所必须满足的几何约束条件。提出了两种变胞并联机构,通过不同的支链装配形式可将其从6自由度构型转换为3自由度构型,并对支链安装形式进行改进,构造出了具有3自由度平移模式和3自由度转动模式的并联机构。对变胞支链作为中心支链组装而成的并联机构的构型及对应的运动类型进行了分析,获得了六种不同构型的并联机构。     

基于约束变化特征分析的变胞机构构型综合方法

变胞机构可认为是机构构态按照特定规律进行连续变化的运动链序列集合,能够适应多种不同的工作任务和功能需求.可进行连续构态变化是变胞机构区别于传统组合机构的重要特性之一,而约束变化是使其构态发生变化的本质原因.根据变胞机构的多构态特性及其约束变化特征分析结果,给出约束变化的实现方式,提出变胞运动副的设计原则.在此基础上,提出一种变胞机构构型综合方法,其实质是根据变胞机构各阶段工作任务和约束条件得到各构态机构构型方案,并对各相邻构态机构方案进行相似度分析和筛选,进而以约束变化特征为基础设计变胞运动副,实现各最优相邻构态机构方案的耦合.以一种物料运输车驱动机构的设计为例对此方法进行验证.     

含球面四杆闭链的球面并联机构拓扑型综合

基于球面四杆回路提出了含球面四杆闭链的球面并联机构拓扑型综合方法。将球面四杆回路与球面单开链(SOC)作为机构组成的基本单元,通过球面四杆回路与其它球面单开链的组合综合得到球面并联机构。给出了含球面四杆回路的基本单元形式和完整的综合流程,得到了相关拓扑综合结果。     

基于3-PRRR并联机构的3T对称耦合机构的构型综合

基于3T的3-PRRR对称并联机构,应用添加支链法,综合出了2类含一级节点的3T对称耦合模型。首先以3-PRRR对称并联机构为基础,通过添加耦合链,构建出3类含一级节点耦合机构的基本模型;然后选取其中一种模型按照耦合链的不同形式分别设计了2类对称耦合机构;最后运用运动分流标记法以含耦合链的单链为研究对象,分析耦合分支的运动形式,表明这2类耦合机构符合设计要求,可为对称耦合机构的构型综合设计提供理论依据。     

踝关节康复并联机构的变胞设计和自由度分析

为了实现踝关节患者在不同康复阶段的运动助力需求,提出一种踝关节康复变胞并联机构,具有3SPS/PS和3SPS/S两种运动模式,通过锁死或驱动(P)S支链移动副实现切换,切换的初始位形具有瞬时的空间一自由度移动和三个转动.其中3SPS/PS构型具有四自由度,分别是动平台绕x轴、y轴和z轴转动及沿z轴移动,3SPS/S构型...     

基于螺旋理论的并联机构构型设计

总结了一般并联机构与具有被动链并联机构的结构特点，提出了具有被动链并联机构的基本构造方法，根据螺旋理论分析了并联机构与其支链的自由度关系，提出了并联机构的构型设计与演变的基本法则。     

基于扩展Assur杆组的变胞机构组成原理

提出一种模块化构造变胞机构的新方法,系统研究变胞机构结构组成问题。该方法即基于Assur杆组构造自由度为1的扩展的Assur杆组,应用Assur杆组法构造平面单自由度机构的规则,构造多自由度平面变胞机构。基于Assur杆组构建自由度为1的扩展Assur杆组,给出基于扩展Assur杆组的变胞机构组成原理、自由度的计算、具有确定运动的构型等基本问题。根据变胞后的蜕化的等效Assur杆组,研究扩展Assur杆组的运动变换特征,为变胞机构的结构综合提供依据。基于扩展杆组的概念,构造几种典型的空间1自由度变胞杆组,并对空间变胞机构的结构组成原理进行探索。实例表明,就像用Assur杆组构造普通机构一样,平面和空间变胞机构都能用所给出的自由度为1的模块构造而成,实现了系统的设计变胞机构。     

新型球面并联机构运动学分析及尺度综合

针对球面并联机构应用于机器人仿生领域时出现的耦合度高、控制不便、灵活性不足等问题,提出了一种具有半解耦特性的新型3分支球面并联机构。基于螺旋理论对机构进行了自由度分析,通过矢量法求解了机构运动学正反解并分析了机构的解耦特性。该机构具有绕X轴、Y轴、Z轴转动的3个自由度,其中,绕Z轴的转动仅由1个分支控制,其余两分支共同控制机构做绕X轴、Y轴的运动。基于微分变换法得到雅可比矩阵并讨论了奇异位形。以奇异位形和杆件干涉为约束条件,采用边界搜索法确定了机构的工作空间。基于机构的解耦特性提出了一种具有解耦系数的全域均值灵巧度,以工作空间和全域均值灵巧度为优化目标,采用粒子群优化算法（PSO）对机构结构参数进行了尺度综合。机构优化后,工作空间增大且在该空间内运动性能良好。研究为球面并联机构的样机设计和其他半解耦机构的尺度综合提供了理论依据。     

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。     

五杆变胞机构下肢康复机器人的性能分析

脑卒中现代人身体残疾的主要原因之一。相关肢体康复训练器的研究很多,但坐姿康复机器人的相关研究尚未见到。在基于中风康复训练的循序渐进要求和康复机器人的运动柔顺性控制前提下,设计了一种轨迹可调的五杆变胞机构下肢康复机器人。对机器人的下肢训练机构进行性能分析,求解两个曲柄处传动轴任意工作状态和任意时刻的受力分布情况,并利用MATLAB软件进行仿真。结果表明:我们设计的下肢运动机构满足运动幅度可调和承载力需求,不同工作状态下两传动轴承受的阻力变化不大;结合分析的结果使选用的电机功率可以达到最小化;根据受力的波动情况,也可为后期进一步研究康复机器人机构运动的柔顺性控制提供一定的依据。     

对称五杆机构连杆曲线的特性研究

对称五杆机构作为一种具有特殊结构尺寸的五杆机构,在机械设计中有着广泛的应用,掌握其连杆曲线具有的特殊性质是对机构进行设计应用的前题。利用Matlab6.5语言建立仿真模型,对对称五杆机构连杆曲线具有的特殊性质进行研究,发现在一定条件下该机构的连杆曲线具有稳定性、相似性、对称性等特殊性质,并对这些特性进行深入分析,为对称五杆机构连杆曲线变化规律及曲线分类研究、特征电子图谱的建立和机构优化综合时初值确定提供理论依据。     

基于螺旋理论的3T1R完全解耦并联机构型综合

利用螺旋理论和独立驱动原则对3T1R类完全解耦并联机构进行型综合。首先根据期望3T1R完全解耦并联机构的运动特征(沿X、Y、Z轴方向的移动和绕Z轴方向的转动)和完全解耦并联机构的正逆雅可比矩阵必为对角阵的要求,利用螺旋理论来构造满足所期望形式的正逆雅可比矩阵;然后根据正逆雅可比矩阵所要满足的条件,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,可以配置支链的所有可能构型;最后根据并联机构运动原理依次取出四条支链连接动平台和定平台得到3T1R完全解耦并联机构。综合的并联机构的输出运动是由支链上独立的输入驱动提供的,且机构的正逆雅可比矩阵在运动过程中始终保持为对角阵,所以属于完全解耦并联机构,此类机构控制简单,具有一定的应用前景。     

基于参数化机构动画仿真的齿轮-连杆机构轨迹图谱的研究

基于计算机机构仿真的方法,利用参数化的齿轮－连杆机构动画仿真软件,给出了机构连杆铰接点的轨迹图谱,并研究了其轨迹随参数变化的规律及其轨迹形状的类型,为进一步认识齿轮－连杆机构的轨迹特性及利用图谱法进行轨迹综合提供了必要的基础。     

含有恰约束分支的无耦合两转动并联机构型综合

为提高解耦并联机构的刚度和承载能力,基于分支驱动力螺旋理论提出一种含有恰约束分支的无耦合两转动并联机构型综合系统方法.分析了无耦合两转动并联机构的运动解耦性与分支驱动力之间的关系,确定了分支驱动力螺旋的作用形式;研究了机构输入输出运动之间的映射关系,根据机构雅可比矩阵为对角阵的特点,确定了主动分支的驱动力螺旋和主动运动...     

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。     

无耦合完全各向同性1T1R并联机器人机构构型综合

基于螺旋理论对具有无耦合、完全各向同性特点的1T1R并联机构进行了构型综合,综合的并联机构采用支链独立驱动原则,即并联机构的输出运动是由独立的输入驱动提供的。首先根据期望1T1R并联机构的运动特征(沿Z轴的移动和绕Z轴的转动)和完全各向同性并联机构的正逆雅可比矩阵必为对角阵的要求,利用螺旋理论构造满足所期望形式的正逆雅可比矩阵;其次根据正逆雅可比矩阵所要满足的条件,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,据此可完成支链结构螺旋系的配置;最后根据约束螺旋理论依次取出两条支链连接动平台和定平台得到并联机构。通过这种方法得到大量无耦合完全各向同性1T1R并联机构。最后对综合出的一种并联机构进行了运动学分析,验证了构型方法的正确性。     

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。     

一种新型并联变胞机构的设计与分析

3-UPU并联机构的动静平台虎克铰关节轴线在满足不同的几何约束条件下可分别具有平动和转动的输出特性。根据变胞机构理论中改变运动副方位特征实现构态变换的原理,设计一种3-UPU并联机构构态转换实现机构。此机构由结构相同的上下两部分运动链组成,通过改变其连接关系可实现3-UPU并联机构动静平台虎克铰轴线在平行和汇交之间变化,达到改变其运动输出的目的,从而形成一种新型并联变胞机构。由于变胞机构具有多组耦合关系,合适的构态转换位置是影响后续构态机构工作性能的重要因素,应用螺旋理论分别进行其各构态机构的自由度分析,并以机构工作空间为例分析构态转换位置点对其工作性能的影响。