6-SPS型并联机构的混合坐标动力学建模

研究6-SPS型并联机构的动力学建模方法,提出了一种新颖的混合坐标动力学建模方法,根据6-SPS型并联机构特点,以四元数和笛卡尔坐标来定义6根支杆和动平台的方位及位置坐标,然后运用第一类拉格朗日方程建模方法建立了6-SPS型并联机构动力学模型,所建立的动力学模型形式简洁,体现了并联机构各向同性的特点,而且又发挥了四元数在数值计算上的优越性,因此具有适合计算机大规模编程计算的优点.     

含球面副间隙的空间并联机构动力学特性分析

为了掌握含间隙4-UPS-RPU并联机构的动力学特性,建立了含球面副间隙空间并联机构的刚体动力学模型,实现了机构的动力学分析。首先假定并联机构的驱动支链与动平台相连的球面副元素之间存在间隙,基于"接触—分离"二状态模型,建立了球面副间隙的运动学模型;然后基于Lankarani-Nikravesh接触力模型和修正的库伦摩擦力模型,利用拉格朗日方程建立了考虑球面副间隙的4-UPS-RPU并联机构的刚体动力学模型;利用数值仿真方法分析了考虑球面副间隙并联机构的动力学特性。研究结果表明,球面副间隙对机构动平台质心点的加速度和碰撞力有较大影响,而且球面副间隙值越大,对机构动态特性的影响越明显。本研究为预测球面副对机构动力学行为的影响,掌握含间隙并联机构的实际动力学行为以及间隙补偿控制提供了理论依据。     

3-CPaRR解耦并联机构弹性动力学建模与分析

为研究支链柔性化对并联机构输出运动特性的影响,本文以3-CPaRR并联机构为对象,研究了支链柔性化对并联机构输出运动特性的影响。根据该并联机构的空间位置关系,研究了其运动学规律,证明了该机构的完全解耦特性;基于空间梁单元模型、有限元理论和Lagrange方程,充分考虑各支链的运动协调关系和动力学约束,分别建立了单支链柔性化条件下和三支链均柔性化条件下的3-CPaRR并联机构弹性动力学模型;为验证理论建模的正确性,基于Adams与Ansys软件对该并联机构展开了弹性动力学的联合仿真。最后,将数值计算结果与虚拟样机仿真结果进行了分析比较,结果表明,各支链在柔性化条件下产生的弹性变形对并联机构的输出运动特性产生了重要影响,同时也验证了该并联机构弹性动力学模型的正确性。     

新型三平移并联机器人动力学优化仿真研究

用ADAMS2007建立了一种新型3RRC型并联机器人机构的参数化运动模型，并对该并联机器人机构进行了初步的位置、运动学、动力学分析，获得了有关运动学及动力学特性曲线，还通过Madab软件计算、分析、比较，验证了用ADAMS软件进行动力学仿真分析的可靠性，最后对该模型进行了动力学优化设计，为新型三平移并联机器人机构的应用打下基础。     

Vex4冗余驱动并联机构的动力学建模、力优化及力位混合控制

并联机构引入冗余驱动可消除机构奇异位型,提高刚度和负载能力。但冗余驱动造成驱动力求解不唯一,可能引起内力对抗,造成能量损耗甚至机构损坏。因此冗余驱动并联机构的动力学建模与控制必须考虑驱动力分配和优化。应用自然正交补(NOC)法对Vex4三自由度冗余驱动并联机构进行动力学建模,采用右Moore-Penrose广义逆矩阵通过QR分解转置系数矩阵得到最小驱动力优化解。为平衡驱动力并跟踪轨迹,在力位混合即非冗余支链位置控制、冗余支链力(矩)控制基础上,采用动力学差分提出一种位控、力控支链驱动力同步优化方法,设计同步优化力位混合控制器实现轨迹跟踪控制。搭建Vex4冗余驱动并联机构样机开展轨迹跟踪试验,验证了所提优化和控制方法的有效性。     

轮-腿复合式移动机器人球面并联腿机构的动力学模型

为适应现代工程领域对移动机器人的新要求,拓展移动机器人的作业场合,该文提出了一种轮-腿复合式移动机器人球面并联腿机构。首先,基于球面并联腿机构的闭环约束方程和旋转变换矩阵构建了其位置逆解数学模型;接着,采用代数消元法推导出了球面并联腿机构的位置正解的解析解;然后,运用影响系数法推导出了球面并联腿机构的速度和加速度影响系数矩阵;在此基础上,运用拉格朗日方法建立了球面并联腿机构的动力学模型。运用数值仿真对运动学和动力学模型进行了验证,仿真得到了给定位姿数据与计算位姿数据之间的最大误差为0.012 7rad,误差不超过实际值的2.43%,发现了球面并联腿机构驱动力的理论曲线和虚拟样机仿真曲线吻合,两者之间的误差稳定在0～1N的合理范围内,验证了运动学和动力学模型的正确性。研究结果为轮-腿复合式移动机器人的步态规划和运动控制提供了理论参考。     

4-UPU并联机器人机构及其运动学

提出了一种能实现空间三维移动和绕Z轴转动的机构模型———空间4-UPU并联机器人机构模型。采用螺旋理论分析了4-UPU并联机器人机构实现空间三移一转运动的机构学原理,计算了其自由度,讨论了输入的合理性;给出了其位置反解的方法,导出了位置正解的封闭方程,进行了数值验证,并分析了该机构的工作空间和奇异位形。该机构是一种过约束机构,具有结构对称且相对简单、刚度大等优点,可用于开发新型工作台、并联机床、四维力传感器以及微操作机器人等。     

基于运动学、刚度和动力学性能的并联机构有序递进三级优化设计及其应用

提出一种基于运动学、刚度和动力学性能的并联机构有序递进三级优化策略,即分别应用遗传算法（GA）、粒子群算法（PSO）、差分进化算法（DE）三种智能算法,以工作空间性能和运动/力传递性能为目标的尺度参数优化方法,又在优化尺度参数基础上,以机构承载刚度和整体刚度为目标进行构件截面参数优化,再在优化尺度参数和截面参数基础上,以动力学灵巧度和能量传递效率为目标进行构件质量参数优化,从而使得机构的尺度、截面及质量参数达到最优。以一种零耦合度三平移一转动（SCARA）并联操作手为例,运用矢量法建立了并联操作手的运动学模型,通过工作空间性能和运动/力传递性能两个运动学指标,优化其尺度参数;运用虚拟弹簧法得到该并联操作手的刚度模型,通过对三维模型的参数识别得到其柔度矩阵,并分析了承载刚度、整体刚度两个刚度性能指标,优化了构件的截面参数;利用动力学普遍方程导出了该并联操作手的动力学模型,通过动力学灵巧度和能量传递效率两个动力学性能指标,优化了构件的质量参数。最终,该并联操作手的运动学、刚度和动力学综合性能达到最优,也得到了一些尺度、截面及质量参数的设计准则。     

新型并联太阳跟踪装置的动力学分析

针对并联装置的结构复杂性、动力学模型的高度耦合性和非线性问题,以一种并联太阳跟踪装置为研究对象,对其机构运动特点和逆运动学进行了分析,基于U-K理论提出一种应用于并联机构的拉格朗日法和U-K理论相结合的动力学建模方法。首先,运用拉格朗日法求解了并联机构各支链的动力学模型;其次,考虑并联机构支链对动平台的约束关系,利用层级堆聚思想,在不引入拉格朗日乘子的情况下建立了跟踪装置的基于约束的动力学模型;最后,利用MATLAB和ADAMS联合仿真对所建立的动力学模型进行了求解和验证。结果表明理论计算与仿真分析的一致性。     

基于SMA的混合驱动器设计

设计一种SMA一电机并联混合直线驱动器,兼具SMA输出力大与电机位移控制精度高的综合优良性能,实现力与位置双重要求。依据驱动原理,采用3D软件设计该驱动器的结构,并建立其动力学模型,提出一种位置控制策略。通过Adams动力学仿真和Matlab／Simulink动力学与控制系统仿真,验证了该驱动器适用于大负载情况,并能实现位置的精确控制。     

Development of synchronized control system through a pneumatic parallel mechanism and its 3D CG model

This study developed a rehabilitation system that can improve the patient care services provided by physical therapists. Wristparalyzed patients were given arbitrary force through a six-Degree of freedom (6DoF) parallel mechanism composed of six pneumatic cylinders, and recovery training was performed. Each pneumatic cylinder was used to apply force control using a pulse width modulation control, and the force of the 6DoF direction was directed to the wrist of the patient. The thrust force of each cylinder and the force of the 6DoF direction of the parallel mechanism were analyzed. The analysis results conformed well to the experimental results. The developed rehabilitation system was designed to help a physical therapist remotely treat multiple patients at the same time. To monitor the operation of the parallel mechanism of each patient’s side, a 3D computer graphic model was created through OpenGL. The movement of this model was investigated to further examine the movement of the 6DoF direction of the parallel mechanism. Results confirmed that both movements can be controlled synchronously.     

混联机床并联机构的逆动力学分析

采用Lagrange方法建立了VC80混联机床两自由度并联机构封闭形式的逆动力学模型,并用ADAMS建立的虚拟样机验证了该模型的正确性。对给定的加工轨迹下并联机构所需的驱动力进行了计算和分析,结果表明,该混联机床并联机构的动平台和连杆重力需要的驱动力分量最大,其次是切削力和惯性力,而动平台速度的不同对驱动力的影响较小。
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A novel parallel sensor with six rigid compliant limbs for measuring six- component force/torque

A novel parallel sensor with six rigid/compliant hybrid limbs and six standard force sensors is developed for measuring the six-component force/torque. The measuring theory and performances are studied. A prototype of the robot hybrid hands with the parallel sensor is developed. A prototype of the parallel sensor is built up and its merits and performances are analyzed. A statics equation among the forces of the standard force sensors and the whole external load and a stiffness model of the parallel sensor are established based on its equivalent parallel mechanism. The force/torque of the parallel sensor is measured under the given external load. The theoretical solutions of the statics model of the parallel sensor are obtained and verified by both the experimental measuring solutions of the prototype of the parallel sensor and the simulation solutions of a FE model.

     

新型直驱四轴数控机床电机驱动力优化研究

基于模块化设计技术,研究了一种完全由直线电机驱动的新型四轴联动数控机床,并介绍了其基本结构型式。以该机床并联主轴模块为研究对象,基于虚功原理,并结合其运动学特性,建立了该主轴机构的刚体动力学模型。以此,提出了机床配重质量配比优化方法,对单边并联双直线电机驱动力进行了优化。结果表明：在相同运动规划条件下,该方法可显著降低电机负载功率,有效提升数控机床的动态性能。     

3-PRC并联机器人机构运动和力传递性能分析

以3平移自由度3-PRC并联机器人机构为研究对象,建立了机构的运动方程;基于速度与力可操作椭球,建立运动与力各向同性评价指标,度量机构在操作空间给定位置处运动与力的传递性能;以速度和力方向可操作度为评价指标,度量机构在操作空间沿指定方向运动与力的传递能力.结果表明,3-PRC并联机器人机构在操作空间具有良好的运动与力的传递性能.     

面向驱动力前馈控制的重载并联机构运动学及力学分析

针对驱动力前馈的力位并行控制的需要,对3-PRS-XY混合并联机构建立Z-X-Z欧拉变换描述的反向运动学模型,并进行速度规划,得到力位控制系统运动插补方法。基于整体能量分析模型及拉格朗日法对3-PRS并联机构进行空载工况下反向动力学建模求解,并通过与重载工况不同位姿的静力反解进行线性叠加得到计算力矩控制所需的驱动力前馈,通过仿真分析了重载下3-PRS并联机构运动学及驱动力的变化情况。     

4-DOF混联机器人多能域动力学全解模型及试验

以4-DOF混联机器人为研究对象,分析了混联机器人的运动学,接着基于传统键合图建立了系统驱动部分（电动机和气动部分）键合图模型,基于旋量键合图建立了系统机械本体动力学模型,由于系统的并联部分引入冗余驱动,提出了采用输入力矩优化的方法,增加了1个补充方程,最终得到了该机器人完整的机、电、气耦合的多能域系统动力学全解模型。冗余驱动分支在随动和施加优化得到的力矩（力/位混合控制）两种情况下,借助键合图自动化仿真软件（20-sim）进行多能域动力学仿真;并进行样机的控制试验,将仿真与试验得到的驱动力矩进行对比,验证了所建机器人系统多能域动力学模型的正确性。通过试验可以证明：力/位混合控制时样机运行更加平稳且能有效提高机构的运动精度。     

NOVEL 6-DOF WEARABLE EXOSKELETON ARM WITH PNEUMATIC FORCE-FEEDBACK FOR BILATERAL TELEOPERATION

A particular emphasis is put on a novel wearable exoskeleton arm, ZJUESA, with 6 degrees of freedom, which is used for the robot teleoperation with the force-feedback in the unknown environment. In this external structure mechanism, the 3-revolution-prismatic-spherical （3RPS） parallel mechanism is devised from the concept of the human upper-limb anatomy and applied for the shoulder 3-DOF joint. Meanwhile, the orthogonal experiment design method is introduced for its optimal design. Aiming at enhancing the performance of teleoperation, the force feedback is employed by the pneumatic system on ZJUESA to produce the vivid feeling in addition to the soft control interface. Due to the compressibility and nonlinearity of the pneumatic force feedback system, a novel hybrid fuzzy controller for the precise force control is proposed and realized based on the Mega8 microcontroller units as the units of the distributed control system on ZJUESA. With the results of several experiments for master-slave control with force feedback, the feasibility of ZJUESA system and the effect of its hybrid fuzzy controller are verified.     

一种六自由度混合驱动并联机构的位置正解分析研究

对一种六自由度混合驱动并联机构的位置正解问题进行了研究，根据该六自由度并联机构的几何结构特点，运用几何分析和虚拟杆长相结合的方法建立了其运动学数学模型，用遗传算法求出了其位置正解，并基于位置正解对该类并联机构存在的实际装配构型进行了分析，给出了计算实例。     

混合型三维减振平台主体机构的运动及受力分析

采用三平移并联机构3-RRRP(4R)作为三维减振平台主体机构.论述了采用柔性关节与普通关节混合型的主体机构的结构,对原机构主动副采用常用转动副加扭簧装置外,其余转动副采用簧片结构,消除了运动副间隙,提高了减振灵敏度.对该机构进行了位置正解、反解分析和力学分析,并讨论了运动学工作空间.运用当量摩擦圆概念来近似替代柔性关节,分析带柔性关节机构的力学工作空间.对该机构的整体力平衡进行了讨论,提出了解决整机力平衡的方法.