基于螺旋理论的锻造操作机构型综合

为了进一步提高锻造操作机的解耦性能,构造了两种类型的串并联形式的混联机构以作为锻造操作机构型。锻造操作机构型Ⅰ的升降运动用平行4R机构实现,其俯仰、侧摆、侧移、大车前进方向的移动和侧向冗余移动用五自由度并联机构实现;锻造操作机构型Ⅱ的升降和俯仰运动用由R和平行4R机构组成的串联运动链实现,其侧摆、侧移、大车前进方向的移动和侧向冗余移动用四自由度并联机构实现。然后采用基于螺旋理论的约束综合法综合了五自由度并联机构和四自由度并联机构,得到了数种无过约束和过约束五自由度并联机构,以及无过约束四自由度并联机构和过约束四自由度并联机构。     

一类恒定雅可比矩阵移动并联机构的判定与综合

为得到雅可比矩阵恒定的移动并联机构,基于螺旋理论利用机构的主运动螺旋和传递力螺旋求解机构的雅可比矩阵,给出了移动并联机构在不同位置下雅可比矩阵保持恒定的判定条件。在此基础上,基于约束螺旋理论对具有该特性的分别包含三自由度、四自由度和五自由度分支的这类三自由度移动并联机构进行构型综合,构造并得到了多种雅可比矩阵恒定的移动并联机构。分析3-PPRU和3-CPU两种并联移动机构,由得到的机构在工作空间内不同位置下的输出速度、力变化曲线图可以看出在给定确定的输入情况下,机构的同一输出参数曲线在不同位置时相互重合,从而验证了该类型移动并联机构雅可比矩阵始终保持恒定。     

基于牛顿—欧拉法的4-UPS-RPS机构刚体动力学分析

为了研究三维转动两维移动4-UPS-RPS空间五自由度并联机构的刚体动力学问题,采用牛顿—欧拉法和虚拟样机仿真相结合的刚体动力学分析方法,分析了该并联机构的运动学,包括位置反解、并联机构驱动杆线速度和角速度,以及并联机构摆动杆和伸缩杆质心处线速度和角加速度;采用牛顿—欧拉法建立了4-UPS-RPS空间并联机构的刚体动力学模型,利用MATLAB对空载和有载荷条件下的算例进行了理论计算,分别求解出机构五个驱动杆的驱动力,利用ADAMS进行了机构虚拟样机的动力学仿真分析,验证了理论计算的正确性。该研究为4-UPS-RPS空间五自由度并联机构的设计制造和控制奠定了理论基础。     

一类球面并联机构的速度与加速度分析

在传统的球面加工中刀尖的运动轨迹非真正球面曲线,而是通过插补逼近球面曲线.提出了一类具有较大工作空间的三自由度球面并联机构(SPM),其末端执行器可以沿球面曲线运动,因而可以加工出理论上真正的球面.该类SPM拥有相同运动学模型.文中给出了机构的三种具体结构,涵盖过约束和非过约束两种类型.通过适当选择机构几何约束以及末端...     

Exechon混联机器人的三自由度并联机构模块位置分析

以一种组成五自由度混联机器人Exechon的三自由度并联机构模块2-UPRSPR为研究对象,利用解析法对其位置正/逆解进行分析。针对位置正解,得到了只含一个未知量的24阶多项式方程,给出了该机构位置正解的所有可能解的解析表达式,对于位置逆解,得到了其显式表达。算例表明,由正解方程得到的8个实数解对应4组镜像位形,逆解方程存在2个实数解,对应2种位形,从而得到该机构位置正/逆解的全部解析解。     

五自由度并联机床机构构型分析

针对目前的并联机构构型方法在构造一些五自由度并联机构的时候出现的问题,提出了运动矢量的概念,在此基础上提出一种新的构型方法.并使用该方法为五自由度并联机床构造了并联机构.在构造支链的时候,提出了"奇异机构"概念,并用它构造了一个复合运动副.实践证明,上述方法是有效且简洁方便的.     

新型并联机构设计方法

研究了一种三自由度并联机构的优化设计方法。首先根据机构的运动特性和结构特点将机构简化为一简单的等效机构,接着给出了考虑了铰链约束的工作空间解析式,其次通过分析得到了灵活度最优解析式,最后提出了一种满足工作空间要求,同时使得灵活度较优和结构参数较小的并联机构优化设计方法。     

一种所有转轴均连续的五自由度混联机器人机构

根据两转一移并联机构两转动自由度转轴的分布,提出构造五自由度混联机器人机构构型的新思路,基于2-RPU&UPR并联机构构造一种新型五轴混联机器人机构。建立2-RPU&UPR并联机构的位置正反解模型,由于该并联部分存在两条连续转轴,可将其等效成一个三自由度串联机构RPR,进而将整个混联机器人机构等效为一个四自由度串联机构RPRR和一个移动平台的组合进行分析,根据这两部分位姿之间的解耦性,建立了混联机器人完整的位置正反解模型,并用加工球面轨迹的算例验证了所建运动学模型的正确性。提出的5自由度混联机器人所有转动自由度均具有连续转轴,能够得到解析的位置模型表达式,能够很容易实现轨迹规划与运动控制,具有良好的应用前景。     

基于螺旋理论四、五自由度并联机器人构型设计新方法

利用螺旋理论,提出用约束添加法对四、五自由度并联机构进行构型设计,讨论了型综合步骤,其宗旨是让主动链控制所需的自由度,而从动链约束不需要的自由度,最后通过实例进一步阐明这一方法。     

5-UPS/PRPU五自由度并联机床的性能分析

针对一种新型五自由度并联机床机构利用雅克比矩阵的条件数作为衡量机构灵巧度的指标,考虑到线速度与角速度和力与力矩的不同量纲,分别给出了不同的灵巧度指标,分析了它们在工作空间内的分布情况,为该机床的设计和实用化奠定了理论基础。     

STRUCTURE SYNTHESIS OF 4-DOF PARALLEL ROBOT MECHANISMS BASED ON SCREW THEORY

Structural synthesis for 4-DOF parallel manipulators using screw theory is systematically studied. Motion properties and constraint conditions of 4-DOF parallel manipulators according to the relationship between screw and reciprocal screw are analyzed. Mathematical expressions for constraint screws and twist screws of moving platform are constructed, and all possible limbs, which provide one or more force constraints, are enumerated. Finally, a parallel manipulator with 3-rotation-DOF and 1-translation-DOF is used as an example to describe the synthesis procedure for symmetrical and non-symmetrical 4-DOF parallel manipulators.     

2RPU/UPR+RP五自由度混联机器人静刚度分析

为快速建立基于三自由度并联机构2RPU/UPR构造出的五自由度混联机器人的解析刚度模型,首先对混联机器人的结构进行了描述;然后基于串联和并联结构独立求解思想,建立了混联机器人的位置反解模型;再对混联机器人的结构进行简化处理,分别求解并联部分与串联部分两子系统的静刚度模型,从构造系统的力旋量系和弹性变形协调条件入手,简单且快速地建立了混联机器人的整体刚度模型;最后构造混联机器人的等效三维模型,运用有限元和MATLAB软件,对典型位姿下混联机器人受外力/力矩产生的微位移进行仿真验证,并给出了整机静刚度在任务空间中随位形变化分布图。通过仿真与理论计算的对比分析,验证了该混联机器人理论刚度模型的正确性。     

Development of a redundant anthropomorphic hydraulically actuated manipulator with a roll–pitch–yaw spherical wrist

The demand for redundant hydraulic manipulators that can implement complex heavy-duty tasks in unstructured areas is increasing; however, current manipulator layouts that remarkably differ from human arms make intuitive kinematic operation challenging to achieve. This study proposes a seven-degree-of-freedom (7-DOF) redundant anthropomorphic hydraulically actuated manipulator with a novel roll–pitch–yaw spherical wrist. A hybrid series–parallel mechanism is presented to achieve the spherical wrist design, which consists of two parallel linear hydraulic cylinders to drive the yaw/pitch 2-DOF wrist plate connected serially to the roll structure. Designed as a 1R PRRR-1S PU mechanism (“R”, “P”, “S”, and “U” denote revolute, prismatic, spherical, and universal joints, respectively; the underlined letter indicates the active joint), the 2-DOF parallel structure is partially decoupled to obtain simple forward/inverse kinematic solutions in which a closed-loop subchain “R PRR” is included. The 7-DOF manipulator is then designed, and its third joint axis goes through the spherical center to obtain closed-form inverse kinematic computation. The analytical inverse kinematic solution is drawn by constructing self-motion manifolds. Finally, a physical prototype is developed, and the kinematic analysis is validated via numerical simulation and test results.     

Design and analysis of a class of redundant collaborative manipulators with 2D large rotational angles

The parallel spindle heads with high rotational capability are demanded in the area of multi-axis machine tools and 3D printers. This paper focuses on designing a class of 2R1T (R: Rotation; T: Translation) parallel spindle heads and the corresponding collaborative 5-axis manipulators with 2-dimension (2D) large rotational angles. In order to construct 2D rotational degrees of freedom (DOFs), a platform with 2D revolute joints is proposed first. Based on the constraint screw theory, the feasible limbs that can be connected in the platform are synthesized. In order to provide constant rotational axis for the platform, a class of redundant limbs are designed. A class of redundant 2R1T parallel spindle heads is obtained by connecting the redundant limbs with the platform and the redundant characteristics are verified by the modified Grübler-Kutzbach criterion. The corresponding 5-axis collaborative manipulators are presented by constructing a 2-DOF series translational bottom moving platform. The inverse kinematics and the orientation workspace as well as the decoupling characteristics of this type of 2R1T parallel spindle heads are analyzed. The results show that these manipulators have large 2D rotational angles than the traditional A3/Z3 heads and can be potentially used in the application of multi-axis machine tools and the 3D printers.     

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。     

计算机辅助几何法分析4-DOF并联机器人

提出运用计算机辅助几何法来研究新型四自由度并联机器人的型综合问题,利用在CAD软件草图环境下建立的并联机器人模拟机构,基于并联机器人的模拟机构,综合出多种新型四自由度机构,并用计算机模拟法,分析了动平台的运动特性。模拟结果表明,计算机辅助几何法的应用不但大大简化了并联机器人机构型综合的难度,而且快捷直观,值得推广。     

Reciprocal screw theory based singularity analysis of a novel 3-DOF parallel manipulator

Singularity analysis is an essential issue for the development and application of parallel manipulators.Most of the existing researches focus on the singularity of parallel manipulators are carried out based on the study of Jacobian matrices.A 3-DOF parallel manipulator with symmetrical structure is presented.The novel parallel manipulator employs only revolute joints and consists of four closed-loop subchains connecting to both base and platform via revolute joints.The closed-loop subchain in each chain-leg is a spherical 6R linkage.The motion characteristics of the output link in the spherical 6R linkage with symmetrical structure are analyzed based on the interrelationships between screw systems.The constraints that are exerted on the platform by each chain-leg are investigated applying the concept of generalized kinematic pair in terms of equivalent screw system.Considering the geometric characteristics of the parallel manipulator,the singularity criteria of the parallel manipulator corresponding to different configurations are revealed based on the dependency of screw system and line geometry.The existing conditions of certain configuration that a singularity must occur are determined.This paper presents a new way of singularity analysis based on disposition of constraint forces on the geometrically identified constraint plane and the proposed approach is capable of avoiding the complexity in solving the Jacobian matrices.     

基于反螺旋理论的3-RSR并联机器人雅可比矩阵研究

运用反螺旋理论对3-RSR三自由度并联机器人的雅可比矩阵进行了研究。采用简单的方法,找到支链关节螺旋的反螺旋,从而得到了约束雅可比矩阵、驱动雅可比矩阵和完全雅可比矩阵,不但导出动平台的运动速度到驱动关节速度之间的映射,而且易于进行全面的奇异位形分析;3-RSR并联机器人无约束奇异,当支链的驱动旋转副轴线、被动旋转副轴线和球铰共面时,产生结构奇异。该文方法亦可用于其他三自由度并联机器人的雅可比矩阵研究。     

4SPS+UPU并联机床法向加工自由曲面的研究与仿真

采用CAD变量几何法,用一种新型5自由度4SPS+ UPU并联机床对任意3D自由曲面进行法向加工.通过CAD几何约束和尺寸驱动技术,首先建立4SPS+ UPU并联模拟机构,再在并联机构动平台上构造任意3D自由曲面和刀具轨迹的引导平面,与4SPS+UPU并联机构合成,得到模拟并联机床.保持刀具与自由曲面垂直关系,给定加工...     

混合型三维移动并联机构及其运动学分析

为丰富空间并联机器人机型,提出了两种具有混合分支的三维移动并机器人机构模型。其中一种由两个ＣＲＲ分支,一个ＳＰＳ分支构成;另一种由两个ＣＰＲ分支,一个ＳＰＳ分支构成。在文中,采用螺旋理论分析了它能实现空间三维移动的机构学原理,计算了它的自由度;给出了其位置速度和加速度的正反解,并进行了数值验证。