[PP]S类并联机构无伴随运动的结构条件

[PP]S类并联机构包括3-PRS、3-RPS、3-RRS和3-PPS四种构型,可实现1移动自由度和2转动自由度,具有广泛的应用前景.伴随运动是[PP]S类并联机构动平台在非独立自由度上发生的运动,是影响[PP]S类并联机构实际应用的关键问题.建立一般3-PRS并联机构伴随运动运动学模型,揭示出一般3-PRS并联机构各项几何结构参数与伴随运动的内在联系,证明3-PRS并联机构无伴随运动所必须满足的结构充要条件,根据这一结构条件可构建无伴随运动的3-PRS并联机构.指出无伴随运动的3-PRS并联机构中存在的局部自由度,给出考虑这一局部自由度的驱动选取方案,对无伴随运动的3-PRS并联机构进行自由度分析,并确定该类机构的2转动自由度的连续转轴.这一结构充要条件适用于全部[PP]S类并联机构.     

刚体两次转动姿态描述方法的内在联系

并联机构动平台姿态描述的方法有多种,不同描述方法给机构运动学分析的难易程度带来不同的影响,所以选取合适的姿态描述方法对机构分析非常重要。并联机构的动平台可视为受约束的刚体,而描述刚体姿态的方法之间存在着内在联系,所以揭开刚体姿态不同描述方法之间的内在关联性,有助于选取合适的刚体姿态描述方法。对并联机构动平台绕两相交轴线的转动关系进行了分析,得出动平台绕某一轴线转动一定角度后其相对动平台法线的耦合转角,并得到了该角度的解析表达式;基于动平台姿态不同描述方法,得到动平台绕其平面内两相交轴依次转动后,绕动平台平面法线的耦合转角及其解析表达式。确定了动平台不同姿态描述方法的内在联系,对具有两转动自由度并联机构的姿态描述方法的选择原则进行了合理分类,该结论适用于大多数具有两转动自由度并联机构姿态描述方法的选取原则。     

3自由度并联机器人的运动学与动力学分析

对一种空间 3 自由度并联机器人(3-RRS 并联机器人)进行运动学和动力学分析.此并联机器人的机构由一个动平台和一个静平台通过3个同样的转动副一转动副一球面副的支链组成.完全描述此并联机器人动平台的位置和姿态需要6个变量,即平台上一参考点的3个位移和3个转角.由于此并联机器人拥有2个转动自由度和1个移动自由度,所以,在动平台的6个位姿变量中只有3个变量是独立的.首先,推导此种并联机器人动平台的6个位姿参数之间的约束关系,给出这些变量之间的解析表达式.然后,基于Lagrange方程建立此并联机器人的动力学模型.在此基础上,通过算例分析驱动构件角速度、驱动力/力矩和能耗的变化规律.这些内容为进一步研究此种空间并联机器人的动态性能、机构优化设计和系统控制等都有非常重要的意义.     

2-PRS-PRRU并联机构运动学与奇异分析

[PP]S类并联机构可实现1移动自由度和2转动自由度,具有广泛的应用前景。2-PRS-PRRU并联机构属于[PP]S类并联机构。运用螺旋理论分析2-PRS-PRRU并联机构的自由度特性,确定动平台的两条连续转轴。研究2-PRS-PRRU并联机构的伴随运动,证明该机构无伴随运动。建立该机构位置正/逆解模型,推导出位置正/逆解的解析表达式,进而求得该机构的雅可比矩阵。通过对雅可比矩阵的分析,确定机构的逆解奇异、正解奇异和混合奇异。2-PRS-PRRU并联机构具有确定的连续转轴和无伴随运动的特性,使其在实际应用中具有很大潜力。     

空间2T1R型并联机器人机构的设计与运动学分析

提出一种新型3自由度空间并联机器人机构,该机构由动平台、定平台和联接两平台的3条结构不同的分支运动链组成,机构动平台具有二维移动一维转动(2T1R)自由度。通过将动平台退化为末端操作器和机构3条分支运动链排列次序的调整,演化出另外两种新型2T1R并联机器人机构,且演化后的机构末端操作器具有更高的转动性能,能实现360°回转。基于螺旋理论对所提出机构的自由度进行了分析和计算,推导出机构的运动学解析解,包括位置、速度和加速度。由于机构雅可比矩阵为单位阵,且其条件数恒等于1,故此类并联机器人为完全各向同性机构。     

6-SPS台体型并联机器人工作空间及转动能力研究

提出一种评价并联机器人实现位置和姿态能力的性能指标.选用局部坐标系和球面副的关节转角描述了动平台的位姿,探索了工作空间的边界,以动平台在工作空间内能实现的最小可达章动角评价并联机器人的转动能力,揭示出并联机器人工作空间体积及转动能力随机构结构尺寸的变化而变化的规律.     

一种新型空间3自由度并联机构的正反解及工作空间分析

提出一种新型空间3自由度并联机器人机构,该机器人机构的动平台相对于定平台具有空间2个移动、1个转动自由度,建立了其运动学正反解的封闭形式,并对其工作空间进行了系统的分析和研究。该新型并联机器人机构在工业机器人、微动机器人、少自由度飞行模拟器和并联机床等领域具有广泛的应用。     

五自由度3D打印并联机器人设计及分析

为实现多向3D打印,设计了一种新型五自由度3D打印并联机器人,该机器人具有两个转动自由度和三个平动自由度,其特点是采用铰接的动平台以获得大的工作空间。根据建立的运动学模型,计算了该机器人机构的运动学反解,分析了定姿态位置工作空间和定位置姿态工作空间,用螺旋理论方法建立了速度雅可比矩阵,在此基础上分析了五自由度3D打印并联机器人的奇异性、灵巧性,并进行了运动仿真分析。研究结果表明,所设计的五自由度3D打印并联机器人具有大的位置工作空间和姿态工作空间,该机器人在工作空间内存在奇异位置,通过添加冗余驱动后可以消除奇异位置,并且具有良好的灵巧性,适合多向3D打印。     

基于球面并联机构的检测平台设计与性能研究

为提高光电产品自动视觉检测的准确性,研制了一种含冗余驱动支链的4SPS/S球面并联调姿平台样机。含冗余驱动支链的4SPS/S并联机构为调姿平台机构本体,具有绕动平台中心点的3个转动自由度,可以实现待检零件任意角度图像信息的获取。建立了该并联机构的运动学模型,导出了机构位置逆解方程和雅可比矩阵;基于雅可比矩阵的秩讨论了机构的奇异性,并验证了冗余驱动支链能消除机构内部奇异;基于雅可比矩阵的非冗余分解,提出了一种评价冗余驱动并联机构力传递性能的指标。分析机构动定平台球铰安装方式对机构运动学性能的影响,得到了机构姿态空间体积大、灵巧度好的动定平台球铰安装方式;设计制作了球面并联检测平台样机,分析并绘制了样机姿态空间以及灵巧度、力传递性能在姿态空间内的分布。结果表明,样机转动空间大,无内部奇异,灵巧度和力传递性能高且分布均匀,能满足光电产品瑕疵检测的工艺要求。     

一种无伴随运动的对称两转一移并联机构

提出一种新型3-UPU对称并联机构,其动、定平台始终关于中间平面对称,该机构具有两个转动自由度和一个移动自由度。运用螺旋理论对机构的自由度性质及运动特性进行分析,证明该机构动平台可以绕对称平面内的任意一条轴线或任意点发生连续转动,说明该机构不存在"伴随运动",这为机构的求解及控制提供了很大的便利。同时,该机构还具有一个沿对称面法线方向的移动自由度,动平台沿该自由度方向也可以发生连续的移动。针对此机构的结构特点,用两个角度参数就可以方便、直观地表示出动平台的姿态信息。推导该并联机构的位置正、反解,并分析其工作空间,可以看出该机构的正反解都具有解析解,且表达式较为简单,方便后续的深入研究。该机构具有较大的工作空间,能够满足一般的工作需要。     

3-PRS并联机构运动分析及仿真

介绍了一种3-PRS空间并联机构,在用螺旋理论对该机构进行运动分析的基础上,用UG构建了该机构虚拟样机并导入ADAMS软件对其进行运动学仿真,利用ADAMS强大的运动仿真、函数、测量及后处理功能,验证了该并联机构是一个全对称的空间三自由度并联机构,动平台可以实现绕X轴、Y轴方向的转动及沿Z向的平动,与螺旋理论运动分析结果完全一致,为将来的原型样机设计、控制等研究工作提供了相关的参考依据。     

可重构PKM模块的选型原则 --理论与实践

可重构与多功能是并联构型装备(PKM)的重要发展趋势,模块化设计是实现这类装备可重构性的使能技术.首先借助线性空间理论,简要论述了少自由度并联机构的组成原理.按照支链对动平台提供约束和驱动的作用不同,将支链分为四种类型,并据此得到少自由度并联机构的三种组合方案.基于对可重构性、多功能,以及速度、刚度特别是精度的考虑,提出可重构PKM模块的选型原则,认为含简式恰约束支链的并联机构较适于搭建兼顾上述需求的PKM模块,进而将可重构PKM模块的设计转化为恰约束支链的选型问题.在此基础上,提出一种含主动恰约束支链的5自由度混联机械手模--TriVariant,其具有与Tricept机械手完全相同的自由度数目和类型,且几乎继承了后者的全部优点.最后给出若干用TriVariant搭建可重构装备的应用示例.     

6自由度弱耦合并联机构机型设计及其方法

提出了基于混合单开链的6自由度弱耦合并联机器人机构机型设计的一种程式化有效新方法,系统地阐述了动平台可实现三平移及三转动输出的6自由度并联机器人机构机型设计过程。设计出输出构件可实现三平移及三转动的7个新的实用混合单开链,首次给出静平台上6个转动副(或6个移动副)为主动副、具有较低耦合度及某些拓扑结构对称性的27种新的基本机型。通过改变主动副类型、主动副位置或支链的局部结构等又可得到更多的衍生机型。又按照机构拓扑结构对称性、输入—输出运动耦合复杂性、结构简单性及制造装配性能等对基本机型进行了简明分类并推荐了优选机型。     

Point-based Jacobian formulation for computational kinematics of manipulators

Computational kinematic analysis of mechanisms is a promising tool for the development of new classes of manipulators. In this paper, the authors present a velocity equation to be compiled by general-purpose software and applicable to any mechanism topology. First, the approach to model the mechanism is introduced. The method uses a set of kinematic restrictions applied to characteristic points of the mechanism. The resultant velocity equation is not an input–output equation, but a comprehensive one. In addition, the Jacobian characterizing the equation is dimensionless hence extremely useful for singularity and performance indicators. The motion space of the manipulator is obtained from the velocity equation. Angular velocities are compiled out of three non-collinear point velocities. The procedure is applied to a 3-DoF parallel manipulator to illustrate.     

新型三平移两转动并联机构及其运动分析

提出了一种新型五自由度并联机构及其应用前景，该机构由一个具有平行四边形机构的8R分支和四个SPS分支组成，可实现空间的三维移动以及两个独立方向的转动，可用于如部件装配、推拿机器人、空间机构的运动平台等应用场合。文中分析了能实现预定运动输出的机构学原理，计算了它的活动度，采用直观的零位形两步法建立运动变换矩阵，求出了用于实时位置控制的反解，并给出了数值算例，分析了其在推拿机器人设计上的应用前景。     

基于混合链的弱耦合三维平移并联机构型综合

提出了混合单开链的设计原理、构造原则及一般设计步骤,设计构造了运动输出包含三维平移的多种实用混合链结构;系统地给出了一种程式化的基于混合链的弱耦合三维平移并联机器人机构型综合过程;得到了8个弱耦合三维平移并联机构原创型基本机型,通过改变主动副类型、运动副位置或支链的局部结构等又可得到众多衍生机型;又按照拓扑结构稳定性与对称性、运动学与动力学问题复杂性、运动输入一输出控制解耦性和加工制造装配性四种指标,对这8个三维平移基本机型进行了定性分类及推荐。     

Inverse kinematic and dynamic analyses of 6-DOFPUS type parallel manipulators

This paper presents inverse kinematic and dynamic analyses of HexaSlide type six degree-of-freedom parallel manipulators. The HexaSlide type parallel manipulators (HSM) can be characterized as an architecture with constant link lengths that are attached to moving sliders on the ground and to a mobile platform. In the inverse kinematic analyses, the slider and link motion (position, velocity, and acceleration) is computed given the desired mobile platform motion. Based on the inverse kinematic analysis, in order to compute the required actuator forces given the desired platform motion, inverse dynamic equations of motion of a parallel manipulator is derived by the Newton-Euler approach. In this derivation, the joint friction as well as all link inertia are included. Relative importance of the link inertia and joint frictions on the computed torque is investigated by computer simulations. It is expected that the inverse kinematic and dynamic equations can be used in the computed torque control and model-based adaptive control strategies.     

基于互易螺旋理论的无奇异完全各向同性移动并联机构型综合

基于互易螺旋理论提出一种无奇异完全各向同性纯移动并联机构型综合的系统方法。首先给出机构末端操作器输出运动的矩阵表达式,然后根据该表达式正雅可比矩阵为非零对角阵的条件确定出机构支路驱动螺旋的表达形式,并依据驱动螺旋与主动螺旋互易积为非零常数的条件确定出主动螺旋的形式,再根据驱动螺旋与同一分支中除主动螺旋外的所有其他运动螺旋互易积都为零的特点,确定出可动非驱动螺旋的类型及其轴线方向,从而按照机构分支连接度的不同进行机构支路的型综合。最后取3条所综合出的机构支路将动平台与静平台联接起来即可得到所期望的机构。最后对一种新型3-CRP无奇异完全各向同性移动并联机构进行运动学分析。结果表明,所提出的型综合方法正确可行。     

3-HSS 并联机床运动学设计

提出以可以实现三平动自由度工联机构作为主进给机构,辅以回转工作台实现多坐标数控加工的并联机床结构配置方案,并据此简要阐述了一种三自由度并联机床的总体设计方案和相应的运动学设计方法。理论成果已用于样机开发。