并联机构方位特征集的符号推导方法

并联机构的方位特征集与其拓扑结构特征存在密切联系,方位特征集的程序化推导方法对于机构拓扑结构分析与设计具有重要意义。系统论述了拓扑结构多项式、方位关系组及方位特征集等基本概念,采用拓扑结构多项式表达并联机构的支路及运动副排列结构,通过方位关系组描述运动副轴线之间的方位关系。基于并联机构动平台的运动输出特性,提出了运动特征空间的概念,根据运动特征空间的相关性建立了2种消元规则,即串联消元规则和并联消元规则。这两种消元规则在拓扑结构多项式与方位关系组之间建立了一种'商'运算关系,并可进行迭代消元,其运算结果即为方位特征集。利用并联机构的字符串描述形式,对部分并联机构的方位特征集进行了基于符号的推导分析,其结果验证了所提出消元规则的有效性。研究成果为面向计算机辅助的并联机构拓扑结构特征分析及类型综合提供了必要的理论与方法基础。

基于方位特征集的两转动(0T-2R)并联机构的型综合及其应用

应用基于方位特征集的并联机构拓扑结构设计理论与方法,对两转动(0T-2R)输出的并联机构进行了型综合;在阐述基于方位特征集的并联机构型综合一般过程和步骤的基础上,给出了两转动输出并联机构拓扑结构设计的具体方法,综合得到了14种两转动输出并联机构,其中,6种机构为该方法综合得到,然后按它们的结构特性进行了初步分类,并将优选的一种两转动并联机构用于太阳能二轴跟踪机构的研制。该型综合方法运算规则少,数学方法简单,几何与物理意义明确,适用于所有无过约束和一般过约束机构。

方位特征集法在三平移并联机构型综合中的应用

应用基于方位特征集的机构拓扑结构设计理论与方法,综合了26种三平移零转动的并联机器人机构拓扑结构,其中19种为首次综合出的新机型,并对它们进行了分类。该方法适用于无过约束机构和一般过约束机构的拓扑结构设计,不仅所用数学方法简单,几何与物理意义明确,而且综合所得机构的存在几何条件具有一般性。

基于单开链和方位特征集的5-DOF串并联构型综合

根据单开链和方位特征集设计了一种5自由度串并联机器人,并对5自由度串并联机器人并联机器人的运动学,对并联机构的位置逆解和动平台速度进行分析。运用Adams软件对设计的5自由度串并联机器人进行仿真分析,并验证机构的可行性。结果表明,该机构具有运动比较平稳、工作空间大等特点,对5自由度串并联机构多驱动器控制提供了参考依据。

机器人机构方位特征集自动生成算法

针对传统结构分析方法效率过低且难以得到完备结果的现状,将机器人机构学理论与现代计算机技术相结合,提出了机器人机构拓扑结构的数字建模方法,并给出方位特征集自动生成算法及流程。首先,提出拓扑结构组成要素的数学描述方法以及相应的数据结构,得到机器人拓扑结构的数字模型。然后,在揭示出方位特征集本质内涵的基础上,利用线性相关性理论制定相应的运算规则,进而提出方位特征集的自动生成算法和流程。最后,结合具体实例验证了上述数字建模方法和方位特征集自动生成算法的有效性。

基于神经网络的并联机构方位特征集自动分析算法

基于方位特征集理论(Position and Orientation Characteristic,POC),揭示并联机构拓扑结构分析的理论内涵,建立基于神经网络的并联机构拓扑结构描述方法,提出一种基于神经网络的并联机构拓扑结构自动分析算法。详细说明了并联机构POC集神经网络模型以及模型中对应的6种算法规则,并给出该方法的主要步骤及实例分析。首先,通过对并联机构拓扑结构分析的理论分析,归纳出其本质;其次,基于神经网络理论基础,对并联机构拓扑结构描述数字化表达;此外,通过分析并联机构POC集自动分析的本质内涵,建立并联机构POC集神经网络模型以及提出6种模型算法规则。最后通过实例分析证明了并联机构POC集自动分析算法的正确性和有效性。

基于方位特征集的飞机侧开式登机舱门开启机构变模式运动分析

登机舱门作为大型客机的一个重要部件,其运动状态和运动模式分析对于舱门功能和运动链设计至关重要。从机器人机构拓扑综合视角,首次提出将某型侧开式登机舱门开启运动机构抽象为2条SS支路与1条◇(R//R//R//R)⊥R//R支路构成的并联机构,进行了舱门及其开启机构运动关联性研究。基于并联机构方位特征集(POC)理论,分析了侧开式登机舱门开启机构拓扑尺度约束类型特征,揭示了舱门机构提升和旋转运动过程具有1个自由度且选取不同独立元素的两种运动模式,进一步发现舱门运动模式切换的几何约束条件为:铰链臂机构转动副间距与平行杆机构杆长在水平面投影尺寸相等。结合挡块限位的舱门驱动保证几何约束条件恒定,提升了舱门模式切换的确定性及开启过程的稳定性。基于方位特征集进行的侧开式登机舱门开启过程研究为飞机舱门设计提供了新思路。

基于方位特征的六自由度并联机构型综合

应用基于方位特征集的机构拓扑结构设计理论与方法,综合了10余种低耦合度六自由度并联机构的拓扑结构,给出了综合的过程与步骤,对机构结构进行了特性分析及分类。该方法几何与物理意义明确,所用数学方法简单,适用于无过约束机构和一般过约束机构的拓扑结构设计,且机构存在的几何条件具有一般性。

基于方位特征方程的2T2R并联机构拓扑综合与分类

基于方位特征(POC)集方程的并联机构型综合方法,给出了可实现两平移两转动(2T2R)并联机构(Parallel mechanism,PM)的型综合过程和方法,包括基于拓扑等效替代的复杂支路综合方法、支路几何装配条件的判定方法及驱动副的判定方法等,得到了15种2T2R构型,其中10种为新构型;对这些构型按支路结构和动平台数目进行分类,并进行拓扑特征分析,得到其所包含的AKC(Assure运动链)(包括独立回路数、耦合度)、自由度类型和运动解耦性。本文综合出的构型结构较为简单、易于装配,具有一定的实用价值。

基于方位特征方法的串联机构型综合的计算机自动生成

研究了基于方位特征(POC)集方法的串联机构型综合的算法及其计算机自动化实现方法。建立了串联机构型综合的算法,提出了一种新的串联机构末端构件方位特征集移动/转动维数及方向的表述方法;详细说明了基于C语言的n-DOF串联机构型综合的算法及其程序自动实现过程;使用MATLAB设计该程序的界面,优化了该程序人机交互的友好性;以4-DOF串联机构型综合为例说明,该程序可自动生成理论上存在的10种1T3R、23种2T2R、85种3T1R串联机构构型。使用该程序进行串联机构型综合,仅需用户键入期望生成机构的方位特征集,即可自动生成符合预期要求的串联机构,操作简单、方便,具有较好的实用性。

新型4RPUR并联机器人机构运动学分析与尺度综合

以支链为RPUR的4RPUR并联机器人机构为研究对象,首先根据方位特征集理论验证运动性质,利用SolidWorks软件建立三维模型图,其次利用杆长约束条件进行运动学位置逆解分析,再次利用图形化方法得到工作空间与转动能力性能图谱,最后选择鲸鱼优化算法(WOA)完成参数尺度综合。结果表明:优化后的工作空间边界光滑、对称分布,为机构应用设计提供了参考依据。

基于粒子-人工蜂群算法的3RPUP_(c)-UPS并联机构运动学正解研究

针对3RPUP_(c)-UPS并联机构运动学正解求解困难的问题,对新型3RPUPc-UPS并联机构的运动学特性进行了研究,并构建出位置正解求解模型,进而提出了一种基于粒子-人工蜂群算法(P-ABC)的并联机构运动学求解方法。首先,根据机构的拓扑特性,计算得到了方位特征集、自由度和耦合度;然后,根据机构的几何特征,基于姿态变换矩阵和动平台投影方程,建立了机构的运动学逆解方程,并对比了MATLAB和SOLIDWORKDS的仿真结果,验证了逆解分析的正确性;最后,将运动学逆解方程转化为最小化求解问题,构建出了适合优化算法的运动学正解模型,并利用MATLAB的软件交互界面(GUI)功能,开发出用于计算并联机构运动学正解的软件,分别基于粒子群算法(PSO)、人工蜂群算法(ABC)和P-ABC算法,对该并联机构的运动学正解进行了计算。研究结果表明:P-ABC算法单次求解时间在0.5 s内,求解误差级别为10-20,相对于ABC算法,运行时间缩短了50.02%;而相对于POS算法,其求解精度提高了10个数量级。P-ABC算法能够用于求解该并联机构运动学正解,具有计算速度快、精度高的特点,可以为研究并联机构运动学正解提供新方法。

低耦合PRPaR/2CRR并联机构运动学分析与性能优化

针对3CRR并联机构性能上的不足,通过增加平行四边形机构的支链改进机构,根据拓扑结构综合方法综合出一批空间三平移并联机构,优选得到一种具有空间三平移PRPaR/2CRR并联机构。首先,基于方位特征集理论对机构的自由度、耦合度等特性展开分析,利用杆长限制约束建立非线性运动学方程组,推导出位置逆解表达式,对位置正、逆解进行算例验证,并对主动副的驱动角位移算例进行了分析;进一步,计算速度雅可比矩阵,研究奇异性并得出位置奇位异形产生的条件,并采用图形法分析了机构的工作空间与灵巧度、可操作度分布情况;然后,建立工作空间体积与全局灵巧度、全局可操作度的综合性能多目标优化模型,利用NSGA-Ⅱ算法得到Pareto最优尺度参数解。结果表明,PRPaR/2CRR并联机构工作空间边界光滑、呈半轮胎形状,局部存在空洞情况的特点;PRPaR/2CRR并联机构和3CRR并联机构相比,工作空间V和全局灵巧度GCI、可操作度μ等性能更好。得到的Pareto曲面能够对实际的机构的灵巧性能以及驱动输入控制起到指导作用,具有较好的工业应用前景。

新型3PRPaR并联机器人的设计与多目标优化

设计一种三平移3PRPaR并联机器人机构。根据方位特征集证明机构输出特性,采用矢量法推导出位置逆解,根据运动轨迹仿真验证运动学模型正确性,分析机构奇异存在条件,并分别对工作空间与全局灵巧度等性能进行分析,以全域性能指标、可达工作空间指标、全域波动性能指标作为优化模型,采用NSGA-Ⅱ优化算法对3个目标函数进行多目标优化。研究表明,3PRPaR并联机器人具有较好的综合性能。

3T1R并联机构运动学分析与多目标优化设计

以三平移一转动(3T1R)并联机构为研究目标,提出一种具有解析式位置正解的3T1R并联机构,计算自由度并证明机构能实现空间三维平移且沿着z轴转动。建立运动学位置方程并推导出机构的位置正解和逆解解析式,同时根据算例分析、验证其解析式的正确性,选择蒙特卡洛法随机模拟法分析机构的工作空间性能。另外,根据运动学方程推导得到正解奇异和逆解奇异的存在条件。根据NSGA-II算法得到了Pareto优化前沿曲线。结果表明:机构具有较大、对称、光滑的工作空间,在工作空间内转动性能较好。

新型3UPRR并联机构的运动学分析与多目标优化

根据基于方位特征方程的并联机构拓扑设计理论和方法,提出一种三平移3UPRR并联机构,通过矢量法建立运动学方程并计算得到位置正解和逆解。分别研究工作空间、灵巧度、全域同向系数、全域最小奇异值等性能指标。建立多维性能指标优化目标,选择具有降维和多重信息有效融合特点的主成分分析法(PCA),得到不依赖主观选择的机构评价函数,通过给定运动轨迹仿真验证支链驱动副位移连续且无明显突变跳跃。最后通过SolidWorks软件模拟零件抓取过程进行仿真验证,研究可为该类机器人的设计应用奠定理论基础。

一种POC集构造的AGV并联机构卸运装置

以用于城市停车场的车辆抬升装置为研究对象,提出将车轮与托举机构末端间接触姿态、相对运动抽象为支链末端运动副;将搬运车体、搬运车体操作机构、被搬运车整体分别映射为并联机构的动静平台;将车辆托举机构、车轮夹持、车长自适应、车宽调整过程中的车辆运载姿态维持特性视作多任务、多工作状态的设计需求及任务目标并抽象为并联机构结构综合问题;根据其任务空间、工作状态所需实现最大方位特征集,进行机构的结构综合,推导出托举装置的基本结构;构造了保证被卸运车辆姿态的2T2R机构。这里将并联机构综合理念引入到托举系统设计,完成了可适应被搬运车辆的宽度和轴距的结构设计,为AGV搬运卸运车辆研制提供了新的思路。

运动副分布顺序对并联机构运动学与动力学性能的影响

根据基于方位特征(POC)的并联机构拓扑设计理论,设计了两种零耦合度且部分运动解耦的三自由度两平移一转动(2T1R)并联机构,它们具有相同运动副类型和数目,但在支链中的分布顺序不同;对这两种机构进行了方位特征、自由度及耦合度等主要拓扑特征分析,并给出其拓扑解析式;根据拓扑特征运动学建模原理,求解了这两种机构的符号式位置正反解,分别分析了两种机构的工作空间和机构发生奇异的条件及奇异位形;根据基于虚功原理的序单开链法对两种机构进行逆向动力学建模,分别求得两种机构的驱动力;对比两种机构运动学与动力学性能,并给出优选机型。给出了优选机型用于水果深加工中智能分拣、输送等应用场景的概念设计。

并联机构支链拓扑特征自动运算的算法开发

并联机构支链的拓扑特征能够很好地反映机构的运动维数、运动方向,但是计算过程非常复杂,学术界希望能运用计算机运算。支链信息的字符化表示方法和用于计算机判定支链间方位关系的矩阵表达式的提出是基于方位特征集的并联机构拓扑结构设计的理论和方法。依此设计的计算拓扑特征的交、并运算自动算法可实现并联机构分析的便捷化。

一种新型1T2R并联机构的运动学及工作空间分析

提出了一种针对柑橘采摘末端执行器进行姿态调整的新型1T2R并联机构。先利用方位特征方程(POC)对该机构进行拓扑结构分析,得到其方位特征集。根据Yang和Sun提出的更具有一般性的自由度(DOF)公式,验证其DOF。利用封闭矢量法分析得到其运动学逆解方程,并用多种群遗传算法分析得到其正解,并与逆解相互印证。用逆解方程作为约束条件,基于蒙特卡洛法用Matlab软件编程求解并绘制其工作空间。用Adams软件建立该机构模型,并对动平台进行位移、速度和偏转角的仿真分析。结果表明此并联机构具备良好的转动能力和较大的连续工作空间,结构简单且运动平稳,为后续研究和设计该类型的并联机构提供参考依据。