一种支链含Pa副的新型2T1R并联机器人的运动学分析与多目标性能优化研究

以并联机构2T1R作为研究对象,基于并联机构拓扑结构设计理论综合出一类支链含Pa平行四边形机构的2T1R并联机构,并优选出两种新型2PRPaR-PPaR与2RRPaR-PPaR并联机构,以2PRPaR-PPaR并联机构为例,利用方位特征集拓扑结构理论计算机构的方位特征集、自由度、耦合度等拓扑特性,根据建立的特征方程并得到机构的运动学逆解解析式。基于此,分别对机构的工作空间、灵巧度、转动能力等性能指标可视化分析,并通过图形化对比分析机构参数对这些性能指标的影响,最后建立工作空间和全局灵巧度多目标优化模型,选择快速非支配多目标优化算法（NSGA-Ⅱ）实现机构尺度综合,结果表明：2PRPaR-PPaR机构具有工作空间较大、灵巧度较好、转动能力高等优良特性,优化出一组不同姿态角下的对工作空间和全局灵巧度的多目标pareto优化解。     

基于Kriging模型的并联机器人机构的多目标优化设计

为了提高并联机器人机构的性能特性,对机构参数进行优化设计分析,以达到性能指标最优的目的。先对应用于盾构拼装机的并联机构进行了运动学分析,利用封闭矢量法建立了逆解方程,并在此基础上求解了表征驱动关节输入和动平台输出映射关系的雅可比矩阵。引入衡量并联机构性能的全域运动灵巧度和全域承载能力指标,并以结构参数为设计变量,性能指标为优化目标,基于Krigring近似模型,利用多岛遗传算法对并联机构进行多目标优化,最终得到Pareto解集,并选取了机构参数的最优解。结果表明,基于Kriging模型的多目标优化对机构性能有明显的改善。     

双支链六自由度并联机构尺度设计与性能分析

提出了一种新型六自由度并联机构,该机构由两条运动支链组成,每条支链各包含一个主动球副。与常规六自由度并联机构相比,支链数目的减少可有效增大机构工作空间。基于封闭矢量法求得所提机构的运动学位置逆解,在此基础上分析了机构输入与输出的速度映射关系,建立了机构雅可比矩阵。以工作空间和全域灵巧度为性能评价指标,借助性能图谱法完成了机构尺度设计,基于该尺度参数,对特定工作姿态下的工作空间、灵巧度、承载性能及刚度性能进行了全面研究。最后,搭建了3D打印样机,并对其典型应用场景进行了分析。     

2自由度高速高精度并联机器人的运动学优化设计

提出一种基于工作空间综合和灵巧度、速度和几何精度等性能指标分析的2自由度并联机器人运动学优化设计方法,构造一种由灵巧度、运动速度和运动分辨率等变量组合而成的工作空间全局评价指标。优化过程分为两步进行：首先以灵巧度、力传递特性和避免奇异位形的几何条件为约束,综合出具有良好特性的工作空间,在此基础上研究不同杆长比下实现目标工作空间所需的尺度参数;然后根据全局运动学性能评价指标从第一步的优化结果中遴选出最合适的杆长比,从而实现了对机构的几何尺度参数优化。并给出了算例以说明方法的有效性。     

■高速并联机器人动力尺度综合

研究一种新型四自由度高速并联机器人动力尺度综合方法。该机构以■为支链且具有单动平台结构,与采用双动平台结构的此类机构相比,末端动平台质量更轻,从而具有良好的加减速性能。建立机构运动学和动力学模型,并构造出可反映机构运动和力传递特性的链内/链间压力角,以及以单轴最大驱动扭矩全域最大值最小的动力学性能评价指标。在此基础上,综合考虑装配尺寸等几何约束和运动学性能约束,建立了以使机构动力学性能最优的机构尺度综合模型。在探究压力角和动力学性能随尺度变化规律后,给定具体约束条件,通过遗传算法优化得到一组最优尺度,并基于在Lamé抓放轨迹上运动仿真完成伺服电动机参数预估。     

■高速并联机器人动力尺度综合

研究一种新型四自由度高速并联机器人动力尺度综合方法。该机构以■为支链且具有单动平台结构,与采用双动平台结构的此类机构相比,末端动平台质量更轻,从而具有良好的加减速性能。建立机构运动学和动力学模型,并构造出可反映机构运动和力传递特性的链内/链间压力角,以及以单轴最大驱动扭矩全域最大值最小的动力学性能评价指标。在此基础上,综合考虑装配尺寸等几何约束和运动学性能约束,建立了以使机构动力学性能最优的机构尺度综合模型。在探究压力角和动力学性能随尺度变化规律后,给定具体约束条件,通过遗传算法优化得到一组最优尺度,并基于在Lamé抓放轨迹上运动仿真完成伺服电动机参数预估。     

(2PRR)~2+R平面并联机构的刚度与固有频率

基于两移动一转动三自由度平面并联机构构造了一种新型五自由度串并混联机器人并对其并联部分,一具有运动冗余和驱动冗余两种不同模式的平面并联机构(2PRR)~2+R进行了运动学分析。首先,建立了三自由度平面并联机构的运动学模型,基于机构的运动学模型推导得到了冗余和非冗余驱动并联机构的刚度矩阵,并且通过求取并联机构各组成构件的等效质量,得到并联机构的质量矩阵;然后,借助系统刚度矩阵和质量矩阵建立的并联机构动力学方程,求得了机构的固有频率方程;最后,通过数值仿真对冗余和非冗余驱动并联机构的刚度及固有频率进行对比分析。结果显示:冗余驱动分支对机构绕Z轴方向角刚度和系统的一阶固有频率均值影响最大,其增幅分别为88.46%和31.50%;对X轴方向的线刚度和系统的二阶固有频率均值影响最小,其增幅分别为52.34%和1.90%。因此,冗余驱动分支有助于提高并联机构的整体刚度,改善机构的动态性能。     

基于齐次量纲雅可比矩阵的四自由度并联机构运动灵巧度分析

基于雅可比矩阵的灵巧度分析是并联机构设计的重要任务之一。针对新型四自由度机构2RRS-2RUS,首先基于螺旋理论导出的完整雅克比矩阵,构造出运动特性等效的齐次量纲雅克比矩阵。并利用该矩阵的条件数定义了衡量该并联机构运动学灵巧度的指标。进而,依据灵敏度分析的方法,分析得到系统全域性能指标随经过归一化处理后的各个尺度参数的变化规律。     

一种新型三平移并联机器人的运动学与灵巧度分析

以少自由度并联机构作为研究对象,设计一种新型空间三平移并联机器人机构,根据方位特征方程理论计算机构的自由度、耦合度、方位特征集等特性.通过杆长约束条件建立运动学方程模型,推导机构的正逆解解析式,基于此,研究机构的操作空间与运动灵巧性等性能指标,同时分析结构参数尺寸跟操作空间与全局灵巧度的关系,建立全局灵巧度与可达工作空...     

Delta机器人的尺度综合方法研究

尺度综合是并联机器人运动学设计的最终目标.为此,本文针对Delta机器人提出了一种最优尺度综合方法.首先对机构进行运动学分析得到局部灵活度的性能评价指标,其次将局部性能评价指标综合为全域性能指标,并将尺度综合问题归结为一类参数优化问题.上述方法对这类高速轻型并联机器人以及其它并联机构的运动学设计理论有一定指导意义.     

一种新型仿生变胞膝关节外骨骼机器人及其多体运动尺度综合方法研究

针对人体步态周期的摆动相与承载相生物力学特征,创新性的提出一种集变胞仿生膝关节外骨骼机器人与具有“J”型轨迹特征运动副人体等效下肢为一体的人-机并联研究原型,在深入解析其变胞运动承载仿生工作机理的基础上,系统提出一种多体运动尺度综合方法。该方法首先基于多体运动学,系统构建人-机并联运动学模型;其次针对该外骨骼对其穿戴位置滑移与下肢个体差异的有效几何包容,提出一种新型运动学综合性能评价指标——仿生灵巧包容度;再次将多体运动尺度综合问题归结为一类多目标优化问题;最后计及不同人群的步态差异性,采用压缩粒子群算法,深入开展膝关节外骨骼系统多体运动尺度综合数值仿真。通过仿真数据对比与参数敏感性分析,佐证该膝关节外骨骼机器人所具有的变胞仿生运动学综合性能,以及多体运动尺度综合方法的合理性与有效性,为后续研究原型承载有效性的相关研究,提供理论基础。     

一种新型非对称五自由度混联机器人的尺度综合

提出一种新型非对称五自由度混联机器人,由三自由度1T2R位置型并联机构和二自由度A/C转头串接组成。为保证机器人具有近似面对称的性能,围绕其中的并联机构开展尺度综合研究。通过定义并联机构的参考位形,提出一种凝练独立尺度参数的方法,并定义出可评价工作空间、运动/力传递特性及其面对称程度的运动学性能指标。在此基础上,将机构尺度综合问题归结为一类有约束多目标优化问题,并采用范数理想点法,得到一组可使机构兼具优良的运动/力传递特性及大作业空间/机构占地比的尺度参数,同时运动/力传递特性在全域内具有近似面对称乃至轴对称分布。在相同尺度参数下与Exechon和TriMule机器人的对比分析表明,该机器人具有与二者近似的全域运动学性能。     

3-RRR并联机构动力学参数辨识模型

根据运动学模型,推导了3-RRR并联机构的雅可比矩阵.在每一个运动构件上选择一个适当的关键点,从而使运动构件的偏角速度矩阵和关键点的偏速度矩阵中不包含基本动力学参数.相对于这些关键点,计算出每一个运动构件的惯性力和力矩.基于虚功原理,从惯性力和力矩中提取基本动力学参数,推导出3-RRR并联机构动力学参数辨识模型.     

2-UPR-SPR并联机构尺度综合

五自由度Exechon机器人被广泛应用于高端制造业,其由具有两转一移三自由度的2-UPR-SPR并联机构和RR串联机构组成(U代表虎克铰,P代表移动副,R代表转动副,S代表球副)。目前对Exechon中并联机构的尺度综合鲜见报道。运用基于螺旋理论的运动/力传递性能指标对Exechon中并联机构2-UPR-SPR进行尺度综合。建立机构运动学反解模型,并对机构进行螺旋分析,得到2-UPR-SPR并联机构的局部传递性能指标和全域性能指标,作为机构运动/力传递性能评价准则。结合空间模型法,获得2-UPR-SPR并联机构的相关指标性能图谱,且根据工程实际需要确定最优区域,在该区域内选取多组数值实例并进行最优筛选。     

一种新型4自由度高速并联机器人设计方法

提出一种可实现SCARA运动的新型4自由度高速并联机器人的动平台,采用双螺旋齿轮传动原理,将两相对支链驱动转化为末端的自转运动。针对该机器人的动力尺度综合问题,在建立运动学和刚体动力学模型基础上,利用直接和间接雅可比矩阵的行列式,构造出两类揭示机构奇异状态并定量描述机构链内与链间的力传递特性的空间压力角。基于可反映系统动力学特性的性能评价指标,在几何约束和力传递性能约束条件下,借助多目标优化的方法获得可保证机构运动学和动力学性能的最优尺度参数。     

锻造操作机顺应性能评价与优化方法

研究操作机的刚度与顺应性能,基于雅可比矩阵的各时变线性关系项对机构的运动学性能进行分析,构造关节速度与操作空间速度变换项的均方差模型,建立运动性能评价矩阵,其中对角项为各速度变换项相对其平均值的波动程度,反对角项为速度变换的耦合程度,具有明确的物理意义.通过构造操作刚度矩阵各项元素的均方差变换模型,建立关节刚度与操作刚度变换的线性耦合度评价指标.建立Matlab程序计算某型操作机的速度变化和刚度耦合关系的函数曲面,对操作机运动性能和各方向顺应性能进行评价.研究操作机运动学参数的优化模型,计算得到了运动学近似解耦的某型操作机关键几何尺寸和关节位置,基于运动性能指标和顺应性能指标对运动学参数进行评价,对优化机构参数和原操作机参数进行对照.所获得的操作机运动性能和顺应性优化结果为操作机本体结构参数设计提供了一种有效的性能优化和评价方法.     

并联机构敏感性分析和多目标优化设计方法

为了解决并联机构全局性能指标高计算成本引起的敏感性分析和多目标优化设计困难,提出了一种结合多项式响应面模型、基于方差的敏感性分析方法和智能优化算法的高效计算方法。首先,确定并联机构的目标函数和设计参数,增加节点密度以提高目标函数的计算精度,基于拉丁超立方体抽样方法和最小二乘多项式拟合技术建立全局目标函数与设计参数之间的响应面解析映射模型,并结合基于方差的Sobol’敏感性分析方法得到对目标函数有重要影响的设计参数。然后,结合敏感性分析结果简化设计参数并建立并联机构的多目标优化设计模型,包括目标函数、约束函数和设计参数,结合响应面模型与智能优化算法开展并联机构多目标优化设计。最后,考虑规则工作空间体积、运动学性能和动力学性能指标为目标函数,以DELTA并联机构为例实现了本文提出的方法。优化前后的结果对比证明了算法的有效性。     

4自由度并联机构刚体动力学模型

以一种具有空间SCARA运动(三维平动和一维转动)的四自由度并联机构为研究对象,系统研究其简化刚体动力学模型的创建方法,提高了力矩求解精度。在运动学分析的基础上,利用虚功原理,建立机构的完备刚体动力学模型,并利用ADAMS校验该模型的正确性。考虑机构各活动构件的结构和运动状态,建立机构的单变量简化刚体动力学模型,奠定了变量优化的模型基础。以机构沿标准轨迹运动时,将完备模型和简化模型计算所得的单轴驱动力矩差值的最大值的绝对值的平均值作为优化目标,分析各尺度参数对优化目标的影响规律,为简化模型的最优变量确定提供指导。以一组给定参数为例,利用单目标优化方法,求解出变量最优值,通过与现有简化方法对比,验证了所述方法的有效性。     

基于遗传算法的平面运动并联机构尺度综合

针对混联运动机床开发中所采用的二自由度平面运动并联机构部分进行了深入的研究,介绍了该平面运动并联机构的组成,推导了并联机构的运动学正、逆解求解公式,并给出了速度雅可比矩阵,以雅可比矩阵条件数的倒数作为灵巧度的标准并采用全域综合灵巧度的评价方法,基于遗传算法对该机构的结构参数进行了优化,为该机构的设计开发奠定了基础。     

基于多目标优化算法的并联机构综合设计

针对并联机构尺寸综合设计参数多、关系复杂的问题,以少自由度并联机构为研究对象进行尺度综合。首先,基于雅可比矩阵的性能指标条件数、刚度、速度极值作为目标函数。其次,采用罚函数法处理约束条件,提出性能分类的方式来作为多目标优化的准则,最后利用遗传算法进行参数优化。分别构建了以条件数、刚度性能指标最优为目标的双目标优化模型和以条件数、刚度性能和速度极值指标最优为目标的三目标优化模型,对这2个方案基于提出的尺寸综合方法进行优化,得到符合设计要求和约束条件的尺寸参数。