3自由度转动广义解耦并联机构构型综合

基于传统解耦并联机构的定义,并结合3自由度转动解耦并联机构的研究现状,提出一种广义解耦的概念。在广义解耦中,对机构的输出参数进行限定,同一输出参数对应的运动可叠加,保证移动解耦或者转动解耦并联机构具有更好的输出特性。根据机构运动与分支运动之间的关系,提出一种新型广义解耦并联机构型综合方法,包括分支运动规划、分支型综合、分支组合三个过程。根据并联机构中的运动副特性,得到分支实现单一轴线方向转动的条件,并基于该转动条件提出一种转动单元的概念。基于广义解耦并联机构的定义,选取一组满足要求的参数作为3自由度转动解耦并联机构的输出参数,利用提出的型综合方法,并结合转动单元的概念,对3自由度转动广义解耦并联机构进行型综合并得到了大量3自由度转动广义解耦并联机构构型,同时验证了广义解耦的概念以及型综合方法的可行性和有效性。该研究为解耦并联机构的型综合提供了理论基础和新的设计方法。     

一种全局各向同性的三自由度转动并联机构

介绍了一种新颖的全局各向同性的三自由度转动并联机构的综合过程。该机构仅由转动副组成,可以实现三个独立解耦的转动自由度。以雅可比矩阵行向量的物理含义为基础,根据各向同性机构的数学定义,得到全局各向同性并联机构的充分必要条件,并以此为基础得到了全局各向同性的三自由度转动并联机构。最后,针对机构约束冗余的不足,进一步提出了避免过约束的改进机型。     

一类两转动自由度完全解耦的三支链两转一移并联机构

提出了含恰约束支链两转一移3自由度并联机构(2R1T)两转动自由度完全相互解耦的两个充分条件,设计得到了两转动自由度完全解耦的2R1T并联机构RRU-UUR-RPR和RPU-UPR-RPR,采用螺旋理论对机构自由度性质进行了分析,得到机构两条连续转动轴线的分布。然后建立机构输入位移与位姿输出之间的映射模型,根据转动自由度完全解耦的数学描述,分析得到该机构两转动自由度是完全解耦的。最后比较分析了该类机构与其他两转一移三支链并联机构含有的被动单自由度运动副数目,该类机构含有的被动运动副数目仅为8,易于实现高结构刚度的目标,具有广阔的应用前景。     

3T2R完全解耦并联机构的型综合研究

针对并联机构的运动往往是非线性、强耦合问题,提出一种完全解耦并联机构型综合原理。首先利用互易螺旋理论对3T2R并联机构的输入输出展开分析,揭示了完全解耦并联机构的雅可比矩阵特点,得到了完全解耦并联机构的移动特征和转动特征条件;其次基于支链驱动理论构造满足完全解耦并联机构的各条支链,根据并联机构约束综合理论,依据提出的支链选取原则依次选取每条支链,连接动、定平台,完成完全解耦3T2R并联机构的型综合;最后针对综合的一种完全解耦并联机构,求得其运动雅可比矩阵验证了机构的解耦特性。     

新型3-PCRNS球面3自由度并联机构

提出一种新型3-PCRNS球面3自由度并联机构,其分支运动链由一个带环形导轨的移动副PC,一个转动副RN (下标N表示三个分支中转动副的轴线都交于一点)和一个球铰S构成。运用约束螺旋理论,对该机构的自由度、奇异位形和输入选取进行分析。在一般非奇异位形下,该机构中三个PCRNS分支运动链对动平台施加三个汇交于机构中心点的约束力,约束机构动平台的3移动自由度,机构具有3转动自由度;在奇异位形下,三个PCRNS分支对动平台施加六个线性相关的约束力,其最大线性无关数为五,机构具有一个绕z轴的瞬时转动自由度。可选用带环形导轨的移动副PC作为主动副,此外该机构动平台绕z轴的转动自由度和其他转动自由度解耦。     

基于解耦并联角度调整机构分析与研究

针对一种具有运动解耦特性的二自由度并联机构,首先介绍了转动解耦角度调整装置的运动特性。在此基础上,对解耦并联角度调整机构进行了运动学分析,推到了机构的运动学模型包括位置、速度、加速度数学模型。最后使用ADAMS软件对推导的运动学模型进行仿真验证。研究结果表明,解耦的并联角度调整机构具备±0.01o的角度调整能力。     

非对称2UPS-UP并联机构性能分析及尺度多目标优化

以一种两转动一移动非对称2UPS-UP并联机构为研究对象,对其进行了性能分析和尺度参数多目标优化.机构自由度由恰约束支链UP确定,即机构可实现绕该支链U副中心的两转动运动和沿P副的移动运动.给出正逆向位置符号解,且正逆解具有部分运动解耦特性,有利于后续误差分析、轨迹规划与控制.应用矢量法推导出速度表达式,根据速度Jacobian矩阵分析了机构奇异位形.以旋量代数为工具,给出了机构运动和力传递性能评价指标.在机构性能评价和工作空间分析的基础上,建立了机构尺度参数昂贵约束多目标优化模型,并采用多目标进化算法求解该问题,得到多组Pareto最优解.     

基于螺旋理论的转动解耦调平机构型综合

芯片与基板之间的平行度调节机构对倒装键合设备的成品率起着决定性作用。为研制该调平机构,基于螺旋理论分析了二自由度转动解耦机构的实现条件,综合出了一类含有3支链的转动解耦的并联机构。该类机构的支链1不含驱动副,由2个转动副组成;支链2和支链3各有1个驱动副,分别驱动动平台绕支链1中的一根转动副轴线旋转。针对其中一种只含转动副和移动副的构型进行了自由度验算,选择了合适的输入运动副,并利用ADAMS完成了该机构的运动学仿真。研究结果表明,该转动解耦的调平机构可应用于倒装键合设备、精密运动平台等多种场合。     

一种可实现全球面工作空间的解耦球面并联机构及其特性

针对现有的球面并联机构在大球面工作空间应用领域,其工作空间不足的问题,提出一种具有全球面工作空间的解耦球面并联机构。首先,依据摩擦圆对转动副转动范围的限制,对机构进行了改进设计,实现了机构全球面工作空间及自由度计算;其次,利用封闭矢量法,求解机构位置正反解解析表达式;最后,根据机构输入与输出参数之间关系,推导得到机构速度雅可比矩阵,并验证了机构具有完全解耦特性,为机构应用于全球面工作空间领域提供了理论基础。     

一种三自由度并联解耦机构的构型与运动学分析

针对一种具有运动解耦特性的三自由度并联机构,首先介绍了平动解耦构型的基本思想,并采用了一种基于运动副的机构构型方法,对机构进行了构型分析。该机构由3个正交分布的支链组成,机构的运动副均为转动副,其动平台在X、Y、Z这3个方向平动解耦。对机构进行了自由度和运动学分析,推导了机构的运动学正/反解、输入/输出的速度和加速度,验证了机构的运动解耦特性。最后,基于机构的运动解耦特性,介绍了该机构在一种新型4-DOF串并联机器人试验样机中的应用。     

一种两转一移完全解耦并联机器人机构及其特性分析

提出一种具有两转动和一移动自由度的完全解耦并联机构,运用约束螺旋法对机构的自由度数目和运动特性进行分析,推导出了该机构位置正反解的解析表达式,进而求得机构的雅可比矩阵,验证了机构的解耦特性,并对机构的奇异性进行了研究。所提出的解耦并联机构丰富了机构构型库,对其进行的性能分析证实了机构解耦特性,从而为其进一步的应用奠定了理论基础。     

一种3-CRCR/RPU对称并联机器人机构工作空间及运动学分析

提出一种新型对称3-CRCR/RPU并联机构,借助修正的Kutzbach-Grübler公式,结合螺旋理论进行分析,该机构具有4个自由度。根据几何约束条件列写矢量方程,以解析解形式给出该机构的运动学正解和逆解,基于逆解对机构速度和加速度进行分析,对机构雅可比矩阵分析知,该机构不含奇异位形且部分解耦。应用ADAMS软件建立仿真模型,验证运动学模型的正确性。根据机构各关节限制约束条件给出其工作空间,得出机构具有类斜六面体的α-β-z位姿子空间。最后,研究机构结构参数对工作空间的影响,并基于改进后的全局性能指标ηJ研究不同结构参数下机构整体性能分布,从而为该机构的空间轨迹规划、结构设计的优化问题提供参考。     

Constraint-force-based approach of modelling compliant mechanisms: Principle and application

Numerous works have been conducted on modelling basic compliant elements such as wire beams, and closed-form analytical models of most basic compliant elements have been well developed. However, the modelling of complex compliant mechanisms is still a challenging work. This paper proposes a constraint-force-based (CFB) modelling approach to model compliant mechanisms with a particular emphasis on modelling complex compliant mechanisms. The proposed CFB modelling approach can be regarded as an improved free-body- diagram (FBD) based modelling approach, and can be extended to a development of the screw-theory-based design approach. A compliant mechanism can be decomposed into rigid stages and compliant modules. A compliant module can offer elastic forces due to its deformation. Such elastic forces are regarded as variable constraint forces in the CFB modelling approach. Additionally, the CFB modelling approach defines external forces applied on a compliant mechanism as constant constraint forces. If a compliant mechanism is at static equilibrium, all the rigid stages are also at static equilibrium under the influence of the variable and constant constraint forces. Therefore, the constraint force equilibrium equations for all the rigid stages can be obtained, and the analytical model of the compliant mechanism can be derived based on the constraint force equilibrium equations. The CFB modelling approach can model a compliant mechanism linearly and nonlinearly, can obtain displacements of any points of the rigid stages, and allows external forces to be exerted on any positions of the rigid stages. Compared with the FBD based modelling approach, the CFB modelling approach does not need to identify the possible deformed configuration of a complex compliant mechanism to obtain the geometric compatibility conditions and the force equilibrium equations. Additionally, the mathematical expressions in the CFB approach have an easily understood physical meaning. Using the CFB modelling approach, the variable constraint forces of three compliant modules, a wire beam, a four-beam compliant module and an eight-beam compliant module, have been derived in this paper. Based on these variable constraint forces, the linear and non-linear models of a decoupled XYZ compliant parallel mechanism are derived, and verified by FEA simulations and experimental tests.     

面向踝关节康复的四自由度广义球面并联机构运动学性能

针对现有踝关节康复机器人运动特性与人体踝关节实际运动特性存在明显差异,导致人机相容性不理想的问题,基于高匹配度的U₁U₂型踝关节运动拟合模型,提出一种适用于踝关节康复且结构紧凑的四自由度广义球面并联机构。基于螺旋理论分析其运动及约束特性,论证其与踝关节运动拟合模型运动的一致性;分别建立机构的位置及姿态运动学模型,证明了该机构的位置与姿态之间运动学完全解耦;基于雅可比矩阵极其条件数分析,阐明该机构在纯背伸趾屈和纯内外翻运动中均具有运动学的完全各向同性性质,且在踝关节工作空间内具有较好的灵巧性及可操作度,并无奇异位形等病态位置存在,通过数据对比验证该机构具有较好的运动学特性,适用于踝关节康复。     

An angular constraints solving approach for assembly modeling based on spherical geometry

In this paper, a novel approach for solving angular constraints based on spherical geometry is presented. This method can determine the orientation of a set of parts given the mating constraints between them with the decoupled property of the angular and distance constraints. The combination of angular constraints can be categorized into two cases: operable and un-operable. The former can be solved efficiently by introducing simple spherical surface reasoning. The latter is solved by employing spherical surface four-linkage mechanism. In this way, the rotation transformation matrix of the dependent rigid body is worked out. This new method has the advantages over numerical approach and symbolic approach of clear geometric solubility, geometric operability, and avoiding simultaneously solving all the constraint equations in the model. Moreover, it is an easy and efficient way to determine whether there exist redundant constraints. The presented algorithm has been successfully implemented in our assembly prototype system, InteVue.     

含有恰约束分支的无耦合两转动并联机构型综合

为提高解耦并联机构的刚度和承载能力,基于分支驱动力螺旋理论提出一种含有恰约束分支的无耦合两转动并联机构型综合系统方法.分析了无耦合两转动并联机构的运动解耦性与分支驱动力之间的关系,确定了分支驱动力螺旋的作用形式;研究了机构输入输出运动之间的映射关系,根据机构雅可比矩阵为对角阵的特点,确定了主动分支的驱动力螺旋和主动运动...     

基于AB/DTS算法的闭链六足机器虫动力学

闭环机构在工程实际中有着广泛的应用,但在对其进行动力学分析时,由于约束耦合的存在大大增加了计算的复杂度。把针对固定基座操作手高效的动力学关节体(Articulated-body,AB)算法、地面和足部接触的解耦结构树(Decoupled tree-structure,DTS)建模方法和处理运动约束的硬约束方法结合起来对闭环机构进行动力学分析。同时采用一种能动态选择的Baumgarte修正参数方法来处理运算过程出现的违约问题。作为计算实例,根据使步行机器人运动时机身产生较小的起伏变化对足部运动轨迹的要求,设计一种采用闭环的六连杆作为腿部机构的六足机器虫。基于推导所得到的算法,通过C++语言编写程序对该机器虫进行仿真,结果和由ADAMS得到结果近似,表明了该算法的正确性;同时由运动位移曲线验证了所设计的机器虫满足预定的运动要求。     

The mechanical efficiency and kinematics of pantograph-type manipulators

Pantograph mechanism has been well known for its motion feature of decoupled kinematics. Planar pantograph mechanism has been extensively used in machinery since the seventeenth century. Recently, three dimensional pantographs have been used in walking machine leg and manipulator designs. This is because, the pantograph mechanism possesses the following advantages decoupled kinematics, higher energy efficiency, good rigidity, less link inertia and compact drive systems. In this paper, the mechanical efficiency of the kinematics of pantograph type manipulators are studied. The mechanical efficiency of pantograph mechanisms and conventional open-chain and closed-chain type manipulators are studied and evaluated using the concept of modified geometric work. The kinematics of six-d.o.f., pantograph type manipulators are studied and special mechanisms which simplify the kinematics are introduced. The computational complexity of both Cartesian and cylindrical type pantograph manipulators are evaluated and compared with a PUMA type manipulator.     

多自由度串联机器人的高效率反向动力学建模方法

针对多自由度串联机器人的反向动力学建模问题,通过引入解耦的自然正交补的概念和方法,消除了牛顿-欧拉动力学方程中的约束力项,得到了一种基于解耦的自然正交补的高效反向动力学递推建模方法。编制程序对七自由度串联机器人进行了仿真验证,并将其与牛顿-欧拉递推建模方法进行了对比。结果表明,基于解耦的自然正交补的反向动力学递推建模方法可节省约2/3的CPU计算时间,仿真结果正确、合理,从而验证了该方法的可靠性和高效性。     

基于小波有限元对注塑型腔内熔体的三维流动分析

分析了不可压缩、非等温、黏性非牛顿流体在型腔内的流动特点,应用小波有限元法准确地模拟出熔体型腔内充模流动模型,克服了传统有限元在工程奇异性问题求解中的不足。算例表明,数值计算结果与实验结果比较一致,该方法成功地模拟了注塑成形型腔内流体的流动过程的重要特征。