平面2自由度并联构型静刚度分析和设计

在建立支链子系统、机架子系统和整机刚度模型的基础上,分析评价了一台4自由度混联机床并联部分的刚度。分析结果轴承是影响机床刚度的薄弱环节,x方向刚度变化较大,影响机床的加工精度。提出了刚度变化率指标,分析了工作空间x方向刚度变化率的影响因素。完成了以静刚度变化率为指标的优化设计,为机床刚度优化和设计提供了理论依据。     

4自由度并联机器人刚度分析

少自由度并联机构应用于机床上时要求具有很高的刚度,而少自由度并联机器人的刚度和机器人雅可比矩阵有很密切的关系。采用螺旋理论方法求出了4-RUC 4自由度并联机构的雅可比矩阵,推导出4自由度并联机器人的刚度计算公式和条件指数计算公式,分析了少自由度并联机器人在某一位置时(z=0)最大和最小刚度所在的方向,给出了这种4自由度并联机器人的最大和最小刚度曲线,通过曲线可以评价出此并联机构在各个方向上刚度大小,为这种机器人的应用和开发提供了有力的依据。     

一种新型两自由度柔性并联机械手的动力学建模和运动控制

对一种新型两自由度柔性并联机械手的动力学模型和运动控制进行研究。首先,考虑刚—柔耦合影响,利用假设模态法和Lagrange乘子法,推导出系统的动力学方程,该方程为微分—代数方程组。为了设计控制器,采用坐标分块法将该微分—代数方程组化为二阶微分方程组。然后,根据机械手的控制要求,采用滑模变结构方法设计控制器,该控制器能跟踪所期望的运动轨迹,同时柔性构件的弹性振动得到抑制。仿真结果表明该控制器的可行性和有效性。     

平面2自由度驱动冗余并联机器人的性能分析

以一种平面2自由度驱动冗余并联机器人为研究对象,对该机器人机构尺寸进行量纲一化,给出反映机构几何参数变化范围的空间模型,建立机构的运动学方程,得到位置反解和速度雅可比矩阵。定义并计算机器人的全域性能指标,探讨机器人的雅可比矩阵条件数、承载能力及刚度等全域性能指标与机构杆件尺寸之间的关系,并在空间模型内绘制相应的性能图谱;根据性能图谱,总结三种性能指标在空间模型内的分布规律,分别给出每种性能指标值较好的机构尺寸范围;最后对三种性能指标较好的尺寸范围进行了综合,得到同时考虑三种性能指标优化的最佳尺寸范围。这些图谱使机器人依据运动学性能指标进行优化设计成为可能,图谱分析为实现并联机器人机构设计的计算机辅助设计提供了一种简单、有效途径。     

欠秩空间并联机器人输入选取的理论与应用

提出一种基于螺旋系线性相关性和约束反螺旋概念的空间并联机器人输入原动件选取合理性的判别方法。这种方法的原理是首先求取机构的结构及刚化机构主动副映射到动平台的反螺旋系,然后判断刚化输入映射到动平台上的反螺旋系及其与结构约束反螺旋系的线性相关性,从而确定空间并联机器人输入选取的机构学合理性。以３－ＲＲＣ和４－ＴＲＴ两种新型并联机器人机构模型为例进行了验证。     

空间并联机构运动学与动力学逆解的模块化计算方法

应用模块化计算方法研究了空间并联机构的运动学与动力学逆解,计算效率能够满足实时控制的要求。通过对各类支链运动学及动力学逆解的分析,应用牛顿-欧拉法并引入拉格朗日乘子建立了空间并联机构的动力学逆解模型,提出了空间并联机构运动学与动力学逆解模块化计算软件的系统构架。结果表明该方法适用于各类非冗余空间并联机构的运动学与动力学逆解的自动建模和可重构设计,并给出了一种新型并联机构的分析实例。     

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。     

基于工作空间的球面5R并联机器人机构设计

研究球面2自由度2R串联机器人的可达工作空间,并对之进行分类.在此基础上研究球面2自由度5R并联机器人的理论工作空间形成原理,根据理论工作空间的形成条件建立该并联机器人的设计空间,设计空间内包含球面2自由度5R并联机器人机构的所有尺寸型.在设计空间内寻找理论工作空间形状发生变化的机构临界尺寸条件,这些条件将设计空间划分为不同的子区域,不同子区域所对应的球面2自由度5R并联机器人尺寸型机构具有不同形状的工作空间,从而在全部设计空间内对该机器人理论工作空间的形状进行详细分类.探讨该并联机器人机构的工作空间面积性能指标与杆件尺寸之间的关系,并在设计空间里绘制相应的工作空间面积性能图谱.工作空间形状和面积大小是进行机器人机构设计的重要参考依据.     

KINEMATICS OF 3-DOF PYRAMID MANIPULATOR BY PRINCIPAL SCREWS

0　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＯｎｅｗｈｏｌｅｃｅｎｔｕｒｙａｇｏＢａｌｌ[1] ｐｕｂｌｉｓｈｅｄｈｉｓｃｌａｓｓｉｃａｌｗｏｒｋ ,ｉｎｗｈｉｃｈｈｅｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｓｃｒｅｗｔｈｅｏｒｙ .Ｈｕｎｔ[2 ] ｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｌｌｔｈｅｓｃｒｅｗｓｙｓｔｅｍｓ .Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆａｌｌｔｈｅｓｃｒｅｗｓｏｆａｓｃｒｅｗｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｐａｃｅｉｓｒｅｇｕｌａｒ .Ｆｏｒａｔｈｉｒｄ ｏｒｄｅｒｓｃｒｅｗｓｙｓｔｅｍ ,ｔｈｅａｘｅｓｏｆａｌｌｔｈｅｓｃｒｅｗ…     

一种3自由度并联柔索驱动柔性操作臂的建模与控制

以一种3自由度并联柔索驱动机器人为研究对象,研究这种并联柔性系统的控制规律。考虑到运动描述的唯一性及易测性,取约束关节的位置作为广义关节变量,用以描述操作臂的运动状态。在此基础上分析了操作臂的运动学和静力学关系,建立了并联柔性系统的动力学模型。然后,以轨迹控制为目标,分别基于刚性模型和柔性模型设计控制器,并对系统的性能进行分析和仿真。结果表明:基于刚性模型控制器的性能较差,而基于柔性模型的奇异摄动方法则可以获得较好的控制效果。     

MODELING AND CONTROLLING OF PARALLEL MANIPULATOR JOINT DRIVEN BY PNEUMATIC MUSCLES

A parallel manipulator joint driven by three pneumatic muscles and its posture control strategy are presented.Based on geometric constraints and dynamics,a system model is developed through which some influences on dynamic response and open-loop gain ate analyzed including the supply pressure,the initial pressure and the volume of pneumatic muscle.A sliding-mode controller with a nonlinear switching function is applied to control posture,which adopts the combination of a main method that separates control of each muscle and an auxiliary method that postures error evaluation of multiple muscles,especially adopting the segmented and intelligent adjustments of sliding-mode parameters to fit different expected postures and initial states.Experimental results show that this control strategy not only amounts to the steady-state error of 0.1°without overshoot,but also achieves good trajectory tracking.     

现代设计理论和方法的研究

在分析了市场和资源结构变化等与制造业竞争有关的时代特征基础上,提出了现代设计理论和方法的命题。以教育部现代设计与制造网上合作研究中心为中心的群体进行了在互联网上组织合作设计的实践,并对设计理论进行了探索。事实表明,已有的研究仅仅是与设计有关的一些片段,不能统帅整个设计过程,尤其是不能面对市场对产品创新的压力空前增加和设计所依赖的智力资源从垂直结构向水平结构转变的环境。现代设计理论应当主要由四部分构成:设计过程理论,性能需求驱动理论,知识流理论和多利益方协调理论。介绍了它们的内容框架和讨论了可以采用的方法。这里面除设计过程理论和性能需求驱动理论中一部分内容曾经有过研究,多数问题刚刚开始受到重视,所以现代设计理论和方法的研究具有非常广阔的空间。有效的方法只能在正确理论指导下产生,工具(含软件)则是为实现方法而开发的。认为不必研究理论就可以实现好的设计软件是不对的,即使最终也能获得一些能够推广的方法,效率将会很低,有时广泛应用的软件甚至会是设计进步的障碍。     

INSTANTANEOUS KINEMATIC CHARACTERISTICS OF ASPECIAL 3-UPU PARALLEL MANIPULATOR

0 INTRODUCTIONA new hotspot of the research of parallel robots is the newstyle lower-mobility (2~5) parallel robots at present. Because osimple structure and low cost, the lower-mobility parallel robotcould be widely applied in industry and other field. O…     

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.     

并联机构主模块伺服系统参数辨识与整定

研究一种小型可重构并联机构主模块伺服系统参数辨识与整定方法。首先导出外移动副驱动,含平行四边形支链结构的位置、速度及加速度逆解模型,并利用虚功原理建立其刚体动力学逆解模型。在此基础上,提出辨识该类伺服系统参数的一种方法。该方法采用变频三角波输入,克服了伪随机二位式序列信号幅值变化大,易造成对伺服电动机冲击,引起其速度环开环等问题,且通过附加惯性负载,可将包括伺服系统转动惯量在内的所有参数辨识出来。进而,以超调量和上升时间为优化目标,考虑随位姿变化的极限负载,对伺服系统控制器参数进行了整定,给出了伺服系统控制器参数的范围。最后,试验验证了该方法的有效性和正确性。     

基于全域优化的高速并联机械手控制器参数整定

提出一种新的定常PID参数整定方法。该方法综合考虑机电耦合效应、全域综合性能及随位姿实时变化的惯性负载,在操作空间内设计三条带有权重的运动轨迹,利用运动学正、逆解模型及刚体动力学逆解模型,直接建立以末端执行器操作空间的方均根误差最小为优化目标的整定方案,对伺服系统控制器的参数进行了整定。通过实例分析,给出使系统在整个工作空间内趋于最优的控制器参数的范围。该方法有效地解决了传统整定方法因其多目标函数相互制约而难以得到最优解的问题。试验验证该方法的正确性和有效性。     

新型3自由度可约移动并联机构的构型及设计

提出了一般可约系统的定义。从研究运动不耦合的3自由度移动并联机构的输入输出关系出发,给出了3自由度可约移动并联机构的定义和判定充要条件。定义了一种新的Gf坐标,利用此坐标给出了可约并联机构的型综合一般过程,并综合出了5种3自由度可约移动并联机构。针对这类机构的特殊性能,以其中一种机构为例,基于机构动平台参考点的工作空间进行了优化设计。     

绳牵引并联机构奇异性分析及无奇异机构设计

绳牵引并联机构是将驱动器的运动和力以绳为介质并行转换成动平台的运动和力的装置,其末端执行器的自由度数可定义为机构的结构矩阵的所有旋量正张成的实数空间的维数。指出绳牵引并联机构仅有过运动性的奇异类型,阐明该奇异是一种由于位姿几何的特殊导致动平台的力旋量集合的维数降秩的现象;以一个1R2T机构为例指出了机构的奇异性除了会导致机构失去控制,还会导致绳优化拉力分布的不连续性:以1-2-1型的1R2T 机构为例研究动平台的重力会对机构的奇异性所造成的影响,从而发现即便动平台重力无法消除机构的奇异点, 但却能使各根绳的拉力分布重新得以配置。提出用各个转动自由度相互解耦,而平动运动能得到完全控制的机构是无奇异的这个原理来构造无奇异性的1-2-1型的CRPM(1R2T)、2-3-2型的RRPM-7(2R3T)的方法;提出用对心抓取定理构造无奇异性的2-2型的CRPMs(1R2T)和3-3型的CRPM(2R3T)的方法;提出用3维力封闭抓取定理构造无奇异性的3-3-3型的RRPM-9(3R3T)的方法。     

PARAMETRIC IDENTIFICATION OF PARALLEL MANIPULATOR WITH REDUNDANCY DRIVEN BY PNEUMATIC MUSCLES

A new parameter estimation algorithm is proposed for parametric identification of a parallel manipulator driven by pneumatic muscles with redundancy. Due to the special physical properties of the parallel manipulator studied, the regression model for parametric identification is characterized by multieollinearity, which will result in unreliable and inaccurate parameter estimations with large eovarianee if the conventional parameter estimation algorithm based on single error minimizing criterion is used. To improve the quality of parameter estimation and achieve high precise posture trajectory tracking control of the parallel manipulator, a new parameter estimation algorithm based on composite error minimizing criterion is developed in need of theoretical contractive forces of pneumatic muscles. The experimental results indicate that the proposed algorithm integrated with adaptive robust control could provide reliable parametric identification and greatly enhance the control accuracy in the trajectory tracking control of the parallel manipulator, and that the variation of known theoretical contractive forces of pneumatic muscles has slight influence on the control performance.     

3SPS-3PRS并联机构构型分岔特性

作为轴对称矢量喷管转向控制驱动机构的Gough-Stewart类并联机构,主要工作在奇异位置状态.在该位置,驱动平台能够获得一个绕其法线的自由转动,导致转向控制驱动机构的运动具有不确定性.为此,采用少自由度3SPS-3PRS并联机构限制该自由转动,通过对少自由度3SPS-3PRS并联机构的分岔特性研究发现,该并联机构存在尺度极限奇异位置,且输入参数的取值对由尺度极限奇异位置决定的并联机构的工作空间影响较大.对于给定的矢量状态要求,3SPS-3PRS并联机构的输入参数变化范围有可能超出由尺度极限奇异位置确定的工作空间,导致3PRS运动链产生较大的约束内应力,同时并联机构的工作空间跨越奇异位置使得动平台在通过奇异位置后的构型具有不确定性,因此该并联机构的运动奇异性问题依然存在.