平面3-■RR并联机构过约束分析及自调结构设计

分析了平面3-RRR三自由度并联机构中存在的过约束及其有害影响,详细讨论了在保证3-RRR并联机构平面运动特性的情况下无过约束自调结构的设计问题,得出了几种新的平面三自由度并联机构运动副配置方案,深入分析了2-RCS-RRR结构的自调特性。     

平面3-(R)RR并联机构过约束分析及自调结构设计

分析了平面3-RRR三自由度并联机构中存在的过约束及其有害影响，详细讨论了在保证3-RRR并联机构平面运动特性的情况下无过约束自调结构的设计问题，得出了几种新的平面三自由度并联机构运动副配置方案，深入分析了2-RCS-RRR结构的自调特性。     

3-RRR平面并联机器人位姿的方向可操作性

基于速度雅克比矩阵,定义3-RRR平面并联机器人机构速度和力的方向可操作度,以此作为评价指标,度量机器人在给定位形条件下速度和力的传递性能.结果表明,3-RRR平面并联机器人机构在操作空间内同一位置,有8种位形满足要求,且不同位形的传速和传力性能不同.对任一确定位形,传速性能强(弱)的方向上表现出传力性能弱(强).     

3-RRR平面并联机构模糊PID控制系统研究

平面并联机构以其优异的性能在工程领域得到广泛应用,为有效提高机构运动精度,提出了基于模糊PID控制算法的3-RRR平面并联机构实时控制方法。在分析模糊PID控制原理的基础上,建立3-RRR平面并联机构模糊PID控制系统模型,搭建机构控制实验装置,实验研究了机构运动精度的实时控制。结果表明,对3-RRR平面并联机构施加模糊PID控制后,机构角位移误差最大值为2.1°,降幅达53%以上;建立的模糊PID控制系统能够用于机构运动精度实时控制,有效降低机构角位移误差,算法简单,实时性较好。     

平面3-RRR型微创机构构型优化

针对目前医疗技术对微创机器人精度要求的不断提高,而传统的并联机构无法满足高精度要求的现状,提出对传统并联机构进行优化设计。建立平面3-RRR并联机构微动情况下输入与输出之间的位移矢量微分映射关系,根据材料插值拓扑优化方法建立平面3-RRR型全柔顺并联机构的SIMP插值模型,通过敏度分析确定优化过程中设计变量的迭代变化方向,用OC算法求解所建立的模型,用Heaviside过滤技术解决棋盘格和网格依赖问题,通过Solidworks曲线拟合得到三维模型,应用有限元分析软件Hyperworks对其进行静力学分析,通过加工得到实体模型,并进行多次微位移测量试验;将静力学分析数据、实验数据与理论值对比。结果表明:微分映射关系作为优化条件,拓扑优化所得到的全柔顺并联机构与同构型的传统并联机构微分运用特性相同,运动精度更高、结构更加简单,验证了该方法的有效性,为平面全柔顺并联机构的优化设计提供了新思路。     

基于加速度反馈的平面3-RRR柔性并联机器人自激振动控制

平面3-RRR柔性并联机器人在精密定位、物料搬运、宏微结合等领域有着广泛应用,其在运行到某些区域时容易产生自激振动,这极大地影响了系统的精度和稳定性。为了有效抑制并联机器人的自激振动,在并联机器人试验平台上搭建了振动加速度测量系统,利用加速度传感器和伺服电动机实现闭环反馈以及自激振动主动控制。对平面3-RRR柔性并联机器人特定奇异位置自激振动的机理进行分析,考虑加速度信号滤波以及信号传输和处理等因素引起的相位滞后,采用移相技术,给出了基于加速度反馈的控制算法,对平面3-RRR柔性并联机器人的自激振动进行了主动控制试验研究。理论和试验结果表明：提出的基于加速度反馈的主动控制方法能够在奇异位置处有效抑制并联机器人的自激振动。     

高速柔性平面3-RRR并联机器人实验系统开发

以"IPC PMAC"为控制核心、"RTLinux"为开发平台建立了高速柔性平面3-RRR并联机器人的实验系统,实现了包括机器人回零限位、轨迹规划与控制、系统状态监测等主要功能.通过实验与仿真结果对比验证,该系统具有稳定性高、开放性好、实时性强等特点,可满足高速、高加速、大柔性平面3-RRR并联机器人的实验要求.     

基于绝对节点坐标法的平面3-RRR并联机构动态特性研究

平面3-RRR并联机构的柔性杆在运动过程中产生的柔性变形会影响机构的输出精度。基于绝对节点坐标法,建立含有柔性杆、刚性动平台的平面3-RRR并联机构刚柔耦合模型,对并联机构的动态特性进行研究,获得并联机构各时刻的位姿和动平台质心运动轨迹。结果表明,柔性杆的弹性变形使动平台不能按照预期的轨迹运行。建立柔性杆局部坐标系,得到了柔性杆中点处挠度值,发现主动杆的弯曲变形远大于从动杆,柔性杆对机构输出精度的影响主要由主动杆产生。仿真结果可以为机构的设计和优化提供理论依据。     

基于正交试验的平面3-RRR机构输出灵敏度分析

轻型、高速、高精度平面柔性并联机构,被广泛应用于精密加工与测量及航天航空领域。通过对平面并联3-RRR机构进行逆运动学建模,以机构的基本构件参数为因素,建立了构件参数与输出参数的灵敏度函数关系模型。应用MATLAB软件对灵敏度函数关系模型进行了正交仿真分析,通过大量实验得到两组模拟结果。分析结果表明,构件参数对输出参数的影响方向及灵敏度方向具有一致性,有效验证了该灵敏度函数模型的正确性,为3-RRR机构的参数设计及误差补偿提供有效的参考依据。     

平面多体系统动力学计算机仿真向量键合图法

为提高平面多体系统动力学计算机仿真的效率及可靠性,提出了相应的向量键合图法。由系统向量键合图模型基本场及结型结构的输入、输出向量间的代数关系,推导出便于计算机自动建立的系统状态方程及运动副约束反力方程的统一公式。根据运动约束关系,将平面运动构件及旋转铰的向量键合图模型组合起来,建立了3-RRR型平面并联机器人机构的向量键合图模型。通过有效的解耦方法,解决了微分因果关系及非线性结型结构给该类机构动力学计算机仿真所带来的代数困难。在此基础上,实现了3-RRR型平面并联机器人机构的计算机自动建模与仿真,验证了所述方法的可靠性及有效性。     

新型过约束球面并联式关节机构仿生设计

以3-RRR三自由度球面并联机构为原型,在其静力学及刚度特性分析基础之上,从仿生学角度出发,采用植入中心球面副的方式,提出了两种改进的可应用于人形机器人肩关节、髋关节的过约束四支链仿生关节机构,并实现了静力全部或部分卸载及刚度均衡。对引入的机构中心球面副进行结构改进,大幅扩大了机构实际工作空间。新型仿生关节机构的提出及其结构设计对人形机器人关节的研制具有理论指导意义和实际应用价值。     

3-RRR并联机构灵巧度分析

利用SolidWorks建立了3-RRR机构的三维模型,对照三维模型采用D-H法建立了3-RRR机构处于任意位形的机构坐标系,运用螺旋理论计算出该机构的一阶运动影响系数即运动雅可比矩阵,参照运动雅可比矩阵奇异的特点,利用可操作数和条件数对3-RRR并联机构进行了灵巧度分析,得出了该机构的灵巧性特点。     

3-RRR平面并联机构刚度分析

刚度是并联机构重要性能指标,为了评价并联机构刚度,提出了一种刚度评价方法.基于3-RRR机构的逆运动学模型,推导出其雅可比矩阵.在力雅可比矩阵的基础上,给出了刚度评价指标,该指标不仅适用于3-RRR并联机构,而且可以应用于其它并联机构.将提出的刚度指标应用于3-RRR并联机构,数值仿真结果表明3-RRR机构在工作空间中具有对称的刚性.     

3-RRS球面并联机构的静刚度分析

3-RRS机构是三自由度球面并联机构3-RRR的新构型之一,可作为人形机器人仿生肩关节的原型机构,因各支链的构件为球面上的曲杆,其刚度计算十分复杂。采用（杆件）变形法与小变形叠加原理,推得机构动平台的角位移、球心点线位移;利用机构静力学计算的结果,即各支链两构件上的力与动平台上外载荷的关系,建立了机构动平台上（球心点的）的位移与外载荷关系,进而求得机构的整体柔度、刚度矩阵;采用正交变换使刚度矩阵对角化,得到机构的6个主刚度指标及其所在的方向。研究结果为该机构的工程设计和应用提供了理论基础。     

球面3-RRR并联机构动力学建模与鲁棒-自适应迭代学习控制

采用Lagrange方法建立球面3-RRR并联机构基于动平台姿态参数的动力学模型。考虑在计算过程中采用线密度、厚度忽略等近似计算及工作过程中机构的磨损等微小变化造成的参数不确定性,进一步建立带参数不确定性的动力学模型。针对其在振动测试中的重复性动作等特点及参数不确定性设计鲁棒-自适应迭代学习控制器,并对此控制器进行稳定性证明。该控制器利用自适应算法对未知定常数的强大学习能力来补偿系统动力学模型的参数不确定项;利用迭代学习算法对期望轨迹进行零误差重复跟踪。由于该控制器吸取了系统动力学模型的已知信息,避免了一般模型未知系统迭代控制时必须满足的Lipschitz约束条件。仿真结果表明,在此控制器的作用下球面3-RRR并联机构能够很好地重复跟踪期望轨迹。     

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。     

新型四足步行机器人串并混联腿的运动学分析

针对串联四足机器人行走惯量大,自重/载重比大的问题,提出一种新型串并混联四足步行机器人,并对该机器人的串并混联腿进行运动学分析。该机器人由一个运载平台和四条结构相同的串并混联腿组成,每条腿均由髋关节、大腿、小腿顺次连接构成,其中髋关节为3-RRR并联机构。以能耗最小姿态为最优姿态,基于矢量法求解了该串并混联腿的运动学正解和反解,利用MATLAB和ADAMS软件验证了正解和反解的正确性;基于矢量法和微分变换法求出了该混联腿的速度雅克比矩阵和加速度矩阵,分析了其奇异性,并利用MATLAB软件绘制出该腿的工作空间。结果表明:该腿在髋关节连杆直径d=22mm,大腿杆件直径D=50mm,膝关节转角θ4∈[105°,155°]时,工作空间呈球冠形,最大内接圆半径R=400mm,高度为H∈[500mm,900mm]。本研究对该新型串并混联四足步行机器人的刚度分析、动态性能、机构优化设计和系统控制等的进一步研究具有重要意义。     

高速平面并联机器人动态分析与实验

基于弹性动力学和实验对高速轻型平面并联机器人的动态响应进行研究。首先,根据机构的几何和惯性非线性建立机构运动微分方程组,对机构的两个典型位形的动态响应进行分析;其次,建立了由3-RRR轻型并联机构和控制系统组成的实验装置,对理论分析进行了验证。结果表明,在位形2,理论分析和实验一致,即机构的残余振动很快衰减;在位形1,理论分析与实验两者不同,实验测量的动态响应为自激振动,而数值仿真得到衰减的残余振动。同时,结果也表明机构在不同位形有不同的动态响应。     

基于三分支非均匀分布球面并联机构的腰关节设计

通过分析球面三转动副并联机构中三个分支的布局对工作空间大小的影响，把一般球面并联机构的三个分支由均匀分布改为非均匀分布，提出了基于三分支非均匀分布球面并联机构的拟人腰关节，选取了一组合理的几何参数，给出了完整的设计方案。该拟人腰关节前弯后弯角度大，基本能满足人体腰关节对工作空间的要求。