2-UPR-SPR并联机构转轴分析

两转一移(2R1T)并联机构转动自由度的轴线包括瞬时转轴和连续转轴。转轴的性质和在空间的分布对2R1T并联机构的轨迹规划和运动学标定等具有重要意义,尤其是在对末端姿态能力要求高的应用如五轴数控加工中更为重要。五自由度Exechon混联加工中心被广泛应用于高端制造业,其由属于2R1T并联机构的2-UPR-SPR并联机构和RR串联机构组成。运用螺旋理论,建立2-UPR-SPR并联机构在初始位形、动平台发生单自由度连续转动后的位形、动平台发生两自由度连续转动后位形下的各分支运动螺旋系和约束螺旋系。根据刚体转轴与约束力作用的关系,确定了动平台的两条连续转轴,这两条转轴的方向与机构位形相关,且分别过参考坐标系原点和球铰中心点。     

一种所有转轴均连续的五自由度混联机器人机构

根据两转一移并联机构两转动自由度转轴的分布,提出构造五自由度混联机器人机构构型的新思路,基于2-RPU&UPR并联机构构造一种新型五轴混联机器人机构。建立2-RPU&UPR并联机构的位置正反解模型,由于该并联部分存在两条连续转轴,可将其等效成一个三自由度串联机构RPR,进而将整个混联机器人机构等效为一个四自由度串联机构RPRR和一个移动平台的组合进行分析,根据这两部分位姿之间的解耦性,建立了混联机器人完整的位置正反解模型,并用加工球面轨迹的算例验证了所建运动学模型的正确性。提出的5自由度混联机器人所有转动自由度均具有连续转轴,能够得到解析的位置模型表达式,能够很容易实现轨迹规划与运动控制,具有良好的应用前景。     

基于空间几何的无伴随运动并联机构分析与综合

一移动两转动(1T2R)三自由度并联机构普遍存在的伴随运动对机构的运动精度及性能有不利影响,为得到一系列1T2R无伴随运动的并联机构,利用空间几何理论及螺旋理论对无伴随运动并联机构进行分析与综合.基于空间几何理论分析了无伴随运动并联机构的转轴条件,结合螺旋理论分析了该类机构动平台平面与约束螺旋的空间位置关系,将至少拥有1T2R自由度的支链分成4类,分析[R]-型支链在不同支链布局下的约束螺旋位置及转轴位置对伴随运动的影响,从而给出了1T2R无伴随运动并联机构的构型准则及结构条件,并通过构型综合得到了105种无伴随运动并联机构.对一种新型2RPU-RPRU无伴随运动并联机构进行了运动学分析,验证了该方法的正确性.     

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...     

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。     

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。     

与串并联机构运动等效的新型并联机构综合方法研究

为简化串并联机构结构,使该类机构得到更好的应用,提出一类与串并联机构运动等效的并联机构,其特点在于没有中间平台,两个并联机构通过对应分支直接连接或共用部分运动副连接在一起融合为一个整体机构.基于螺旋理论,提出了这类并联机构综合方法,给出了综合条件,制定了综合流程.采用该方法,对与三转动机构和三平移机构构成的串并联机构运...     

具有大承载能力的环路解耦两转动并联机构综合方法研究

为解决解耦机构承载能力弱的问题,提出一种具有大承载能力的环路解耦两转动并联机构型综合方法。基于螺旋理论,提出分支传递力螺旋矩阵与输出运动螺旋矩阵的互易积为对角矩阵（主对角线元素全不为零）的机构解耦判别准则,分析机构输出运动螺旋与传递力螺旋之间的关系,确定出驱动螺旋和非驱动螺旋的形式,将上述运动螺旋进行合理的排序和组合得到基础解耦分支。为使解耦机构更好的应用于工业中,提出冗余驱动分支构造方法,在基础解耦分支中添加冗余驱动分支,构造环路,实现环路内反解同步,构造环路之间彼此解耦的环路驱动分支,既不破坏机构的解耦特性又增加了机构的承载能力,综合出环路解耦两转动并联机构。运动学分析和静力学分析表明,所综合出的机构雅可比矩阵为广义对角阵、同一环路内驱动位移同步,并且承载能力强于传统解耦机构,验证了所提出的综合方法的正确性。通过该方法综合出来的机构,在汽车耐久性测试台架方面具有一定的应用前景。     

4-CPS/UPU并联机构运动学分析与仿真

提出了一种用于并联机床领域的4-CPS/UPU并联机构。基于旋量理论，建立了该并联机构的运动和约束螺旋系，该机构具有5个自由度，可实现三移两转功能；通过修正的K-G公式对其自由度进行了验证；进一步分析了并联机构的位置正逆解、工作空间；运用Adams软件对其进行了仿真分析。该机构工作空间连续，形状近似四棱台，规则对称，无空洞，且仿真得到的位移和速度曲线光滑，表明该机构具有良好的运动性能。研究结果为其在并联机床领域的参数化设计提供了一定的理论基础。     

无耦合二自由度转动并联机构型综合方法研究

并联机构型综合是机构学和机器人领域的一个极具挑战性难题。为解决一般型综合方法得到的并联机构具有强运动学耦合性的问题,提出一种无耦合二自由度转动并联机构型综合的系统方法。基于驱动力螺旋理论建立无耦合转动并联机构的输入-输出运动间的数学模型;分析转动并联机构的运动输出特性与分支主动副通过运动链施加到动平台上的驱动力螺旋之间的内在关系;按照雅可比矩阵为对角阵的条件确定出分支驱动力螺旋和主动运动螺旋的形式,再根据驱动力螺旋与同一分支中除主动运动螺旋外的其他运动螺旋互易积恒等于零的特性确定出非主动运动螺旋;建立分支运动链型综合的准则,实现了具有预期自由度类型的并联机构型综合。运动学分析表明,所综合出的机构雅可比矩阵均为对角阵,机构的输入和输出运动之间呈现线性映射关系,验证了所提出的型综合方法的正确性。尤其是当第一条分支的主动运动螺旋为零节距螺旋时,在满足一定结构条件下雅可比矩阵为单位阵,机构在整个工作间内表现为完全各向同性。     

两转一移冗余驱动并联机构构型综合新方法研究

在铣削、钻铆、焊接等领域需要2R1T三自由度执行机构,特别是在高刚度、大工作空间、良好驱动稳定性等场合需要引进冗余驱动来改善2R1T并联机构的性能,为此基于Grassmann线几何和图谱法提出了一种系统有效且简单实用的2R1T冗余驱动并联机构构型综合新方法。根据机构的运动模式确定动平台的自由度线图,然后根据对偶法则得到动平台约束线图,通过在动平台约束线图增加冗余线得到冗余约束线图及其等效线图,根据支链约束分配原则将其分为7种方案;采用图谱法基于约束方案构造相应支链,并根据支链选取和配置准则综合机构的初步构型,每种方案分别综合了12、67、96、0、12、48、16种新构型,共综合出251种新构型,其中包含了一些文献所提出的2R1T冗余驱动并联机构;通过图谱法对已综合机构进行瞬时性分析,发现方案1和方案2所综合机构具有瞬时性,提出将该类机构中的一对平行力约束共轴布置的改进方法可消除其瞬时性,通过瞬时性分析验证该综合方法的可行性和合理性。该方法同样适用于4、5、6自由度冗余驱动并联机构构型综合。     

Structural synthesis of a class of 2R2T hybrid mechanisms

Conventional overconstrained parallel manipulators have been widely studied both in industry and academia, however the structural synthesis of hybrid mechanisms with additional constraints is seldom studied, especially for the four degrees of freedom(DOF) hybrid mechanisms. In order to develop a manipulator with additional constraints, a class of important spatial mechanisms with coupling chains(CCs) whose motion type is two rotations and two translations(2R2T) is presented. Based on screw theory, the combination of different types of limbs which are used to construct parallel mechanisms and coupling chains is proposed. The basic types of the general parallel mechanisms and geometric conditions of the kinematic chains are given using constraint synthesis method. Moreover, the 2R2T motion pattern hybrid mechanisms which are derived by adding coupling chains between different serial kinematic chains(SKCs) of the corresponding parallel mechanisms are presented. According to the constraint analysis of the mechanisms, the movement relationship of the moving platform and the kinematic chains is derived by disassembling the coupling chains. At last, fourteen novel hybrid mechanisms with two or three serial kinematic chains are presented. The proposed novel hybrid mechanisms and construction method enrich the family of the spatial mechanisms and provide an instruction to design more complex hybrid mechanisms.     

基于图谱法的新型运动分岔并联机构型综合

多模式并联机构在航空航天、机械加工、医疗康复等领域均极具应用前景,但目前能够实现多模式的运动分岔并联机构类型较少,绝大多数运动分岔并联机构中含有变自由度性质的RER支链,为此基于图谱法综合了一类新型运动分岔并联机构且机构中含有4类变自由度性质支链与已有的RER支链不同。首先基于图谱法以机构初始位置两瞬时转动自由度线非共面且相互垂直为例对2T1R运动分岔并联机构进行综合,随后将机构含有的URR支链中和定平台相连接的R副轴线方向改变,使其具有2R2T和3R1T两种自由度性质。将改进后的URR支链配置方案应用到部分4自由度和5自由度支链中,提出另外三类变自由度支链,每种类别支链分别有4、12、32种。以机构中含有4类不同变自由度性质的支链为分类依据,综合出四大类同时具有2T1R+2R1T两模式新型运动分岔并联机构,共包括12种子类别;以第4类变自由度支链为例,将其引入到并联机构中,通过图谱法综合出具有3T1R+2R2T两模式新型运动分岔并联机构。     

Type synthesis of two-degrees-of-freedom rotational parallel mechanism with two continuous rotational axes

The two-rotational-degrees-of-freedom(2R) parallel mechanism(PM) with two continuous rotational axes(CRAs) has a simple kinematic model. It is therefore easy to implement trajectory planning, parameter calibration, and motion control, which allows for a variety of application prospects. However, no systematic analysis on structural constraints of the 2R-PM with two CRAs has been performed, and there are only a few types of 2R-PM with two CRAs. Thus, a theory regarding the type synthesis of the 2R-PM with two CRAs is systematically established. First, combining the theories of reciprocal screw and space geometry, the spatial arrangement relationships of the constraint forces applied to the moving platform by the branches are explored, which give the 2R-PM two CRAs. The different distributions of the constraint forces in each branch are also studied. On the basis of the obtained structural constraints of branches, and considering the geometric relationships of constraint forces in each branch, the appropriate kinematic chains are constructed. Through the reasonable configuration of branch kinematic chains corresponding to every structural constraint, a series of new 2R-PMs with two CRAs are finally obtained.     

利用约束螺旋理论综合的空间对称2-DOF并联机构

首先按运动功能对两自由度空间并联机构进行分类,得到了空间2Ryz型（绕y轴和z轴转动)和1Rz1Tz型(绕z轴转动和沿z轴移动）的两自由度机构;给出了两类并联机构的分支约束螺旋系和机构约束螺旋系,以及保证所有分支约束螺旋的合成是期望的机构约束螺旋系的几何条件。对这两种空间并联机构运用约束螺旋综合理论进行系统的型综合,得到了可实现连续运动的具有绕定平台平面内两轴转动的并联机构以及沿着定平台法线方向移动和绕其转动的两自由度并联机构;得到了两自由度并联机构各种类型的分支链结构,以及两类机构的结构约束特性。将少自由度对称并联机构类型由原来的9类扩充到11类,丰富了机构类型。     

两移动三转动混联机构型综合

基于GF集理论提出一种系统有效的串联、并联混联机构型综合方法。首先介绍GF集的基本概念、运算法则,以及转动特征存在条件。然后通过分析混联机构结构的组成特点,基于GF集元素组合和转动轴线迁移定理,提出了设计混联机构型综合方法,根据机构的拓扑结构和结构参数之间的关系,建立了混联机构数综合方程,给出了混联机构型综合的具体步骤。之后根据混联机构型综合理论,完成了具有2T3R混联机构运动特征的构型设计,得到了大量新构型。最后,针对综合出的一种2T3R混联机构,通过混联机构末端分析方法,验证了所设计出混联机构的运动特征,从而证明了构型综合方法的正确性。     

无耦合完全各向同性1T1R并联机器人机构构型综合

基于螺旋理论对具有无耦合、完全各向同性特点的1T1R并联机构进行了构型综合,综合的并联机构采用支链独立驱动原则,即并联机构的输出运动是由独立的输入驱动提供的。首先根据期望1T1R并联机构的运动特征(沿Z轴的移动和绕Z轴的转动)和完全各向同性并联机构的正逆雅可比矩阵必为对角阵的要求,利用螺旋理论构造满足所期望形式的正逆雅可比矩阵;其次根据正逆雅可比矩阵所要满足的条件,确定支链驱动副作用于动平台上的使动螺旋,再得到该使动螺旋对应支链上的表示驱动副的驱动螺旋和除驱动螺旋之外的其他运动螺旋系,据此可完成支链结构螺旋系的配置;最后根据约束螺旋理论依次取出两条支链连接动平台和定平台得到并联机构。通过这种方法得到大量无耦合完全各向同性1T1R并联机构。最后对综合出的一种并联机构进行了运动学分析,验证了构型方法的正确性。     

Dimensional Synthesis of a 3-DOF Parallel Manipulator with Full Circle Rotation

Parallel robots are widely used in the academic and industrial fields. In spite of the numerous achievements in the design and dimensional synthesis of the low-mobility parallel robots, few research ef...     

三转一移解耦并联机构型综合

通过分析解耦并联机构的输入输出特点,基于支链独立驱动原则和螺旋理论提出了三转一移(3R1T)解耦并联机构构型综合方法。首先,基于解耦并联机构的雅可比矩阵为非零对角阵的要求,利用螺旋理论构造出满足期望要求的正逆雅可比矩阵,以确定支链驱动副作用于动平台上的使动螺旋,再得到该使动螺旋对应支链上的表示驱动副的驱动螺旋和除驱动螺旋之外的其他运动螺旋系,根据支链连接度的不同,可完成支链结构螺旋系的配置;最后根据解耦并联机构分支组合原则,依次选取四条支链连接动平台和定平台,得到3R1T解耦并联机构。综合的解耦并联机构的输出运动是由支链上独立的输入驱动提供的,属于解耦并联机构,此类机构结构紧凑,控制简单,具有一定的应用前景。