含冗余驱动支链4-UPS&UP并联机构的运动学性能分析

分析含冗余驱动支链4-UPSUP并联机构的运动学性能,该并联机构由著名的Tricept机器人并联模块3-UPSUP机构增加一条无约束驱动支链所得。因冗余驱动支链的引入,该并联机构比3-UPSUP机构拥有更高的承载能力和更好的静、动态性能。在建立4-UPSUP机构的位置逆解模型和7×6广义雅可比矩阵的基础上,得到驱动关节速度到动平台参考点线速度的4×3量纲一雅可比矩阵,并据该矩阵的条件数提出局部运动学性能评价指标。最后,在同尺度下对4-UPSUP和3-UPSUP并联机构的运动学性能进行了对比分析,得到前者运动学性能优于后者的结论。     

三自由度冗余驱动平面并联机构的运动学分析

针对一种三自由度冗余驱动平面并联机构,提出一种运动学分析方法,建立了机构的运动学模型,然后分两种情况对模型进行实例仿真,并给出了仿真结果,证明了机构运动学分析是可行和有效的,为机构的控制器设计奠定了数学基础。     

空间2自由度冗余驱动并联机构运动学性能分析

面向建筑机器人领域的高性能机械臂需求,提出了一种空间2旋转自由度的3-UPS&U冗余驱动并联机构。基于螺旋理论和修正的G-K公式对机构的整体自由度进行分析,确定了其围绕恰约束支链万向副旋转的运动特性。建立驱动参数与末端参数之间的映射关系,得到其工作空间模型。通过主驱动并联、从动约束串联的独立建模,构造了该并联机构完整的广义雅可比矩阵,进一步得到动平台末端中心点线速度与驱动关节速度之间的无量纲化雅可比矩阵,并据此建立了特定工作空间下机构的灵巧度、承载能力和刚度性能评价指标。最后结果表明,3-UPS&U冗余驱动并联机构进行较高频次上下摆动作业时,在约束支链所布置的对应转轴方向上,具有更佳的综合运动学性能,且能大大降低性能衰减的幅度。     

新型5轴混联加工单元的后置处理算法

5轴混联加工单元因其高刚性、快速响应及灵活调姿等优点,已被视为复杂铝合金结构件高效加工的一种替代方案。后置处理是改善此类装备加工能力的重要环节。以一种新型5轴混联加工单元为研究对象,提出一种可提高其加工件表面质量的后置处理算法。首先,基于B样条曲线构造一种双参数曲线插补算法,进行刀尖和刀轴轨迹的光顺处理,并采用参数同步化保证刀尖点与刀轴点的同步插补。其次,通过推导混联加工单元的速度映射模型,构造驱动轴的速度分配算法以确保刀尖进给速度的稳定性;接着,运用混联加工单元的位置逆解与速度分配策略,将其末端的进给速度、光顺处理后的刀尖插补点及刀轴插补点转换成驱动轴的位置与速度运动控制点集,实现混联加工单元刀具轨迹的后置处理;最后,基于前期开发的实验样机开展一组S形试件的切削实验,验证所提后置处理算法的有效性。     

新型3-DOF冗余并联机构运动学和工作空间分析

因具备更高刚度、更好动力学性能等特点,冗余驱动并联机构越来越多地应用于各行业中。提出一种支链为双滑块结构的3-DOF冗余并联机构,基于位置正、反解分别推导了机构的运动学方程,并结合反解方程和MATLAB对机构进行运动学仿真,绘制了驱动位移、速度曲线;结合运动学分析结果与正解方程对机构工作空间进行分析,绘制了机构三维工作空间;运动学、工作空间分析结果表明,机构在工作空间内运动平稳,无位移、速度突变等情况,且工作空间关于XOZ面具有良好的对称性;研究结果为该构型冗余并联机构的实际应用提供了基础。     

平面三自由度冗余并联机构的驱动奇异性分析

分析了PRPR-2PRR、PRR-2PRR和4-PRR等三种平面冗余并联机构的驱动奇异位形，通过与平面3-PRR非冗余并联机构的比较，研究了采用不同机构冗余类型消除并联机构奇异位形的方法及其特点，为冗余并联机构的尺度综合、路径规划和控制提供了依据。     

2UPR&2RPS型冗余驱动并联机器人的运动学标定

运动学标定能够有效提高并联机器人的运动精度.以一类2UPR&2RPS型冗余驱动并联机器人为研究对象,提出了该类装置的运动学标定方法.通过将误差闭环矢量方程分别投影到运动支链的驱动方向和约束方向建立了该机器人的几何误差模型,并分离出可补偿误差源和不可补偿误差源.基于误差映射矩阵建立了误差灵敏度指标,随后通过灵敏度分析找出了对末端误差影响较大的不可补偿误差源.利用正则化算法建立了基于激光跟踪仪末端位置测量的几何误差辨识模型.标定试验结果表明,所提出的运动学标定方法是有效的.     

新型5自由度冗余混联机床的机构设计及运动学分析

提出了1种由3自由度冗余驱动并联机构4-UPS/PU,串联上二自由度X-Y运动平台来共同实现五自由度运动的新型混联机床的机构设计方案。运用螺旋理论分析了该机床实现的3T2R运动原理,计算出该机构的自由度;利用解析矢量法及几何关系建立机构位置逆解方程,确定驱动杆和动平台之间的位姿关系。运用影响系数法建立了1阶运动影响系数矩阵-Jacobian矩阵,最后通过运动学仿真,验证了机床运动学分析的正确性。     

利用冗余支链驱动消减弹性并联机构振动

针对弹性并联机构的特点,提出加入冗余支链和冗余驱动的方法来消减弹性机构的振动。这种方法既保留了并联机构的驱动元件安装在固定位置的要求,避免奇异点,也能有效地减小末端执行器上的振动。文中介绍了冗余弹性并联机构的动力学分析方法,用简化的解法给出了仿真结果,说明了此种方法的有效性。     

一种冗余驱动并联机构的设计与奇异性分析

在Delta机构的基础上提出一种含冗余驱动的三平移并联机构。基于螺旋理论计算了该并联机构的自由度,分析了位置反解,推导出雅可比矩阵,结合Gosselin奇异分析法,对Delta机构的奇异位形进行分析并找出两种新的奇异位形。将Delta机构和冗余驱动并联机构的奇异性进行比较,为了验证理论分析结果,引入可操作度这一运动性能指标,基于数值法对两种机构的奇异性进行比较。理论分析结果表明冗余驱动并联机构可以实现和Delta机构相同的功能,但其第二类奇异位形明显比Delta机构少;数值分析结果表明选取合适的工作空间和机构参数可减少并联机构的奇异位形,同时也验证了理论分析结果的正确性。     

新型3T2R冗余驱动混联机构动力学分析

以一种新型3T2R冗余驱动混联机构为研究对象,采用Lagrange方程法建立了基于工作空间的动力学模型。首先,基于影响系数法建立机构动平台输出速度与各构件运动速度的映射矩阵;然后,基于各构件的速度和位置确定系统的Lagrange方程,完成动力学建模;随后,借助最小2范数法实现机构工作空间的非约束等效广义力到轴向驱动力的优化;最后,基于动力学模型分析机构驱动冗余与非冗余对机构性能的影响。得出冗余驱动时驱动力峰值可降低约44%,且驱动性能显著改善。     

5-UPS/PRPU冗余驱动并联机构的内力分析与协调

基于全雅可比矩阵和伪逆法求解了5-UPS/PRPU冗余驱动并联机构的内力,并提出了一种基于冗余驱动变刚度的协调内力的方法。通过求解机构的变形协调方程,得到机构的全雅可比矩阵的加权广义逆,从而求得该5-UPS/PRPU冗余驱动并联机构的内力表达式,通过有限元软件验证了该方法的正确性。以相应的5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床为例,分析了冗余分支驱动刚度的变化对各个分支内力幅值的影响,进而提出了一种协调内力的方法。通过分析其内力随冗余分支刚度的变化分布情况可知,非冗余分支各个驱动螺旋以及冗余分支约束螺旋所对应的内力幅值可以通过在一定程度上增大冗余分支的驱动刚度来降低。该方法对机械结构设计人员以及控制系统搭建人员在提高系统精度、降低系统内力方面有重要的参考价值。     

平面冗余驱动并联机构自适应滑模同步控制

基于Kane方程,建立了平面二自由度冗余驱动并联机构的动力学模型。基于轨迹轮廓误差,定义了机构的同步误差及滑模面,将动力学方程线性化,设计了自适应滑模同步控制器并对机构进行了稳定性分析。通过MATLAB仿真计算,并与计算力矩法进行比较发现,自适应滑模同步控制法优于计算力矩法,能够很好地实现轨迹跟踪。     

球面两自由度冗余驱动并联机器人弹性动力学分析

建立了球面2-DOF冗余驱动并联机器人弹性动力学模型。将机器人系统的6个空间弯杆划分为6个子结构,考虑空间弯杆的弯曲、拉伸和扭转变形,基于有限元法求出了各子结构的弹性动力学模型;根据转动副的约束特点以及各分支与输出轴的变形协调约束关系,将子结构组装成3个分支并进行装配,得到系统的弹性动力学模型;将理论计算与有限元仿真得到的机构在初始位置时的固有频率进行对比,验证了系统弹性动力学模型的正确性。通过对比分析球面2-DOF非冗余与冗余驱动并联机器人输出端的动态响应,验证了冗余驱动的引入可以明显减小机器人输出端的最大弹性位移。研究结果为含有空间弯杆并联机器人的结构优化设计以及振动分析提供了理论依据。     

一种新型3T2R冗余驱动混联机构的位置逆解和工作空间分析

提出了一种新型3T2R冗余驱动混联机构。首先,运用螺旋理论分析了该机构实现3T2R运动原理,计算出该机构的自由度,进行了输入选取与论证;然后,利用解析矢量法建立机构位置逆解方程;随后,基于位置逆解,结合机构的约束条件,运用数值搜索法对其工作空间进行研究,分析机构的性能优越性;最后,应用MATLAB对逆解方程进行求解并利用ADAMS对求解结果进行仿真验证,验证了逆解模型的正确性及机构的可实现性。     

5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床弹性动力学分析

结合有限元法和子结构法建立了5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床的弹性动力学模型。首先,将系统划分为不同的子结构,根据空间柔性梁理论求出单元动力学方程,根据关节特点将各个梁单元组装成各个驱动分支;根据分支与动平台的运动学/动力学约束,将各个分支进行装配,从而得到系统动力学方程。以5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床作为算例,求出其动平台中心的动态响应特性。通过比较5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床及5-UPS/PRPU非冗余驱动并联机床动平台的动态响应,可以得到结论：冗余驱动可以明显改善该机床弹性动力学特性,从而减小因弹性变形引起的误差。研究结果为结构设计人员进行结构设计及优化提供可靠的依据。     

Kinematic Sensitivity Analysis and Dimensional Synthesis of a Redundantly Actuated Parallel Robot for Friction Stir Welding

Friction stir welding(FSW) has been widely applied in many fields as an alternative to traditional fusion welding. Although serial robots can provide the orientation capability required to weld along curved surfaces, they cannot adequately support the huge axial downward forces that FSW generates. Available parallel mechanism architectures, particularly redundantly actuated architectures for FSW, are still very limited. In this paper, a redundantly actuated 2 UPR-2 RPU parallel robot for FSW is proposed, where U denotes a universal joint, R denotes a revolute joint and P denotes a prismatic pair. First, its semi-symmetric structure is described. Next, inverse kinematics analysis involving an analytical representation of rotational axes is implemented. Velocity analysis is also conducted, which leads to the formation of a Jacobian matrix. Sensitivity performance is evaluated utilizing level set and convex optimization methods, where the local sensitivity indices are unit consistent, coordinate free, and of definite physical significance. Furthermore, global and hierarchical sensitivity indices are proposed for the design process. Finally, dimension synthesis is conducted based on the sensitivity indices and the optimal link parameters of the parallel robot are obtained. In summary, this paper proposes a dimensional synthesis method for a redundantly actuated parallel robot for FSW based on sensitivity indices.     

Vex4冗余驱动并联机构的动力学建模、力优化及力位混合控制

并联机构引入冗余驱动可消除机构奇异位型,提高刚度和负载能力。但冗余驱动造成驱动力求解不唯一,可能引起内力对抗,造成能量损耗甚至机构损坏。因此冗余驱动并联机构的动力学建模与控制必须考虑驱动力分配和优化。应用自然正交补(NOC)法对Vex4三自由度冗余驱动并联机构进行动力学建模,采用右Moore-Penrose广义逆矩阵通过QR分解转置系数矩阵得到最小驱动力优化解。为平衡驱动力并跟踪轨迹,在力位混合即非冗余支链位置控制、冗余支链力(矩)控制基础上,采用动力学差分提出一种位控、力控支链驱动力同步优化方法,设计同步优化力位混合控制器实现轨迹跟踪控制。搭建Vex4冗余驱动并联机构样机开展轨迹跟踪试验,验证了所提优化和控制方法的有效性。