Research of 6-DOF Serial-Parallel Mechanism Platform for Stability Training of Legged-Walking Robot

The concept of legged-robot stability training with a training platform is proposed and a serial-parallel mechanism platform with 6 degrees of freedom is designed for this target. The designed platform is composed of 4-DOF parallel mechanism with spherical joints and prismatic pairs,and 2-DOF serial mechanism with prismatic pairs. With this design,the platform has advantages of low platform countertop,big workspace,high carrying capacity and high stiffness. On the basis of DOF analysis and computation of space mechanism,weight supporting auxiliary mechanism and raceways-balls supporting mechanism are designed,so as to improve the stiffness of designed large platform and payload capacity of servo motors. And then the whole structure design work of the platform is done. Meanwhile,this paper derives the analytical solutions of forward kinematics, inverse kinematics and inverse dynamics. The error analysis model of position and orientation is established. And then the simulation is done in ADAMS to ensure the correctness and feasibility of this design.

基于赋权偏差传递网络的6Dof-RUS并联机构随机误差分析

对于已经完成加工装配高精度并联机构,当出现使用精度无法满足设计要求时,需要对产生误差的源头进行追溯,只修复部分构件提高机构精度。以单点激光测距仪检测方法与六条由转动副(R)虎克铰链(U)球面副(S)构成单支链的6自由度并联机构(6Dof-RUS)随机误差模型之间的映射为研究内容。首先构建了6Dof-RUS并联机构赋权偏差传递网络,其次建立了相机坐标系中光斑与平面约束之间的映射方程,通过结构误差雅可比矩阵将结构参数误差映射为可观测的动平台位姿误差。最后进行了实验验证,实验结果表明,在有限次测量次数的情况下可快速对随机误差进行溯源,验证了所提方法的有效性与可靠性,对其他拓扑构型并联机构精度综合具有一定借鉴意义。

6-RSS型并联机构奇异性分析

针对无法获得精确奇异位形空间分布的6-RSS型并联机构,寻找到一种间接表征奇异位形空间分布的方法。定义一个具有物理意义的能表征非奇异位形与奇异位形之间在静力学特性上接近程度的接近度函数,利用接近度阈值定义这种在静力学特性上接近奇异的位形为'拟奇异位形',定义所有拟奇异位形构成的空间实体集合为'拟奇异空间'。从奇异位形与拟奇异位形定义出发,论证出机构所有奇异位形必包含在拟奇异空间中,从而在无法获得精确奇异位形时利用拟奇异空间可间接地预知机构的奇异位形空间分布,避免机构进入拟奇异空间,达到避免机构处于奇异位形的目的。针对6-RSS型并联机构,利用简化后的接近度函数,获得该机构在定姿态下的拟奇异空间的多个截面图和三维实体图,为该机构在实际应用中避免奇异位形提供直观的参考依据。利用6-RSS机构的实例数据指出雅可比矩阵行列式值不能表征奇异接近程度,推证出与本文方法类似的Voglewede约束最优方程法的不足并加以修正。

改进遗传算法在6-RSS并联机器人机构设计中的应用

以6-RSS并联机器人Jacobian矩阵的条件参数为优化设计目标函数,提出了改进的遗传智能优化设计方法.采用实值编码,对6-RSS平台进行了优化设计,得到了最优运动学的6-RSS平台结构参数,通过与拟牛顿法得出的结果比较,证实了改进遗传算法在并联机器人结构优化设计中的有效性和优越性.

6-RSS并联机构的运动学、动力学分析

以6-RSS并联机构为研究对象,运用D-H方法建立了各支链构件的坐标系。推导了支链的运动学反解的解析方程,并给出了各个构件的速度、加速度与动平台的速度、加速度的映射关系。然后用牛顿-欧拉方法推导了6-RSS并联机构的动力学方程,为该类机构的动力学分析奠定了基础。

6-SPS并联机构工作空间及静力学分析

文中研究了6-SPS并联机构的工作空间及驱动杆受力情况,分析结构参数对其影响。首先,根据旋量定理推导出并联机构位姿逆解的解析式,并对机构进行静力学分析,通过MATLAB软件与ADAMS软件联合仿真,验证了逆解解析式和静力学分析的正确性;随后,基于杆长约束和干涉约束,运用逆解解析式获得不同姿态下并联机构的工作空间,并逐点计算该工作空间下驱动杆受力;最后,研究结构参数对零姿态工作空间及驱动杆受力的影响。结果表明:驱动杆的伸长量是影响工作空间最关键的因素,并且随着工作空间的增大,驱动杆受力也随之增大。研究结果为并联机构的结构设计提供了依据。

基于拓扑结构分析的求解6-SPS并联机构位置正解的研究

建立机构拓扑结构复杂性和位置正解求解难易性的关系,提出按机构耦合度k大小来分类求解并联机构位置正解全部实数解的数值法,可使正解问题求解容易,具体内容包括:对39种不同构型的6-SPS并联机构,按6种基本机型、33种衍生机型的拓扑结构及其耦合度值分为k=0、1、2、3四类,分析得到了动平台边数、支链类型影响耦合度k值大小的规律。对不同k值的并联机构的位置正解求解指明明确的求解方向,即:对k=0的机构可容易地直接求解其解析正解;对k>0的机构,通过虚设k个SPS型支链,使之转化为k=0的虚拟并联机构,并基于杆长条件建立k个仅含一个变量的杆长相容性方程,再采用k维搜索法求出实数解。以六自由度球面Stewart机构为例,给出了求解耦合度k=1的任意6-DOF SPS并联机构位置正解全部实数解一维搜索法的具体步骤。这种基于拓扑结构分析的6-SPS并联机构位置正解求解的数值法,求解原理简单,计算量小,且具有一般意义。

基于齐次变换矩阵数值解的6自由度并联机构位姿正解解算

为提高6自由度并联机构位姿正解求解速度,提出了一种基于齐次变换矩阵数值解的位姿正解解算方法.结合齐次空间变换矩阵前3阶顺序主子矩阵的正交特性及各液压缸杆长约束条件,建立了以齐次变换矩阵12个元素为未知量的非线性方程组的数学模型,得出了雅克比矩阵解析总表达式,采用牛顿拉夫逊法算法逐次迭代得到齐次变换矩阵数值解,再根据齐次变换矩阵与位姿转化关系求解对应位姿.结合实例,利用位姿正解仿真解算模型对所提出的位姿正解方法准确性及高效性进行了验证.结果表明:以齐次变换矩阵元素为变量的位姿正解解算方法比以位姿为变量的传统计算方法速度快.

基于牛顿迭代的6-UPS并联机构运动学正解的研究

对自制的6-UPS并联机构的运动学问题进行了分析,利用数值法对该机构的运动学正解进行深入研究。通过运动学反解计算,在旋转矩阵和驱动杆长约束条件下,建立了运动学正解的数学模型,通过化简得到一组六个只含有三个姿态变量的非线性方程组;利用Mathematica软件求解上述方程,利用牛顿迭代法引入所有有效初值求解上述方程组得到正解结果,避免由于初值选取不当产生的漏解现象,并绘出对应的机构装配简图。经算例验证,方法使得算法的收敛速度以及高效寻找全部解得到很好的提高。

6-PSS型光学元件精密轴向调节机构

设计了一种采用6-PSS型并联机构的光学元件精密轴向调节机构,以使光刻物镜中光学元件的调节行程达微米级,调节精度达纳米级。将6-PSS型并联机构中的6个移动副改进为3个,减少了驱动器的使用数量,提高了轴向调节机构的可靠性;设计了一种圆角薄柔性铰链结构作为6-PSS型并联机构中的球铰副,实现了轴向调节机构的结构一体化,简化了光机组件的装调过程,提高了机构的机械精度;利用空间矢量法分析了机构输入构件与输出构件之间的位置关系,推导出了机构的传动比表达式,为机构主要结构尺寸的选取提供了依据。轴向调节机构的验证试验结果表明:机构传动比的理论计算值接近于实测值;轴向调节机构的调节行程为74.4μm,调节精度在40nm以内,满足光刻物镜中光学元件轴向调节机构的使用需求。

3-U^rSR 6自由度并联机构位置分析

提出一种采用球面2自由度五杆作为驱动装置的3-UrSR并联机构。对该机构自由度进行了计算,对机构的位置反解进行了分析和研究,并列出了正解的约束方程组。最后用反解验证了正解的正确性,给出了该机构的位姿分析的数值仿真实例及图形。

新型基于6-PSS三维平台机构的并联微动机器人

提出一种新颖的基于 6 - PSS并联三维平台机构的微动机器人并介绍其结构布局特点 ,应用 Jacobian矩阵和力 Jacobian矩阵的子阵 ,分别对其线速度与角速度和力与力矩的各项同性进行了分析计算 ,并建立显式的微位移正解和反解方程 ,为其设计和使用提供理论依据。分析计算结果表明 ,该微动机器人算法与控制简单 ,微位移解耦和速度与力各向同性 ,具有最佳的运动和力传递性能。

基于支链构造法的新型6-DOF并联机构构型设计

提出一种新型3支链6自由度机构构型设计方法。对于6自由度并联机构,支链对动平台没有自由度约束,只存在尺度约束。在每条支链中都加入一个球副,用以实现3转动自由度,其余运动副用以实现3移动自由度。以支链中移动副的数目为分类原则,得出了24种通用支链结构,在此基础上,对支链运动副轴线的位置进行特殊配置,得出了对应的新型支链结构。应用得出的支链结构,对其进行组合,设计出一系列6自由度并联机构,并且以简化运动学求解、扩大工作空间为目的,给出支链内部运动副轴线配置及支链空间拓扑位置的配置设计原则。对得出的新型3-RPPS机构进行运动学、尺度约束和工作空间分析,并建立与机构性能相关的尺度要素与构型综合的关系,验证了本方法的有效性。

6自由度3-U^rRS并联机构的位置正解分析

机构的位置分析是求解机构的输入与输出构件直接的位置关系,是机构运动分析最基本的任务,也是机构速度、加速度、受力分析、误差分析、工作空间分析、动力分析和机构综合等的基础。在实际应用中,解正解问题意味着决定机器人末端执行器当前实际的位姿。基于此,提出一种新型3支链6自由度并联机构3-UrRS,采用球面2自由度五杆机构作为复合驱动装置。以机构上平台3个顶点之间的长度为约束条件,建立约束方程,研究该并联机构的正解的封闭解形式,得到一个16次方的一元多项式方程。以3-UrRS自身的机构特点建立约束方程,得出反解的封闭解形式。最后对该正反解的研究结果进行数值验证,正解的计算结果与反解的计算结果十分吻合,仅有微小误差,这是由计算的累积误差引起的。

6-SPS球平台并联机器人及其局部力和运动传递性能分析

提出一种 6-SPS球平台 6自由度正交并联机器人新机型 ,介绍其结构布局特点 ,对其局部力与运动传递性能及它们与机构几何参数关系进行分析 ,为其设计和实用化提供理论依据。分析结果表明 ,该球平台机构在正交位姿力和运动传递性能各向同性 ,特别适合于作为 6自由度微动操作机器人和 6维力传感器结构。

6-3-3并联机构尺度的优化综合

提出了以满足6-3-3并联机构使用功能为准则的尺度综合优化建模方法,即以功能要求的任务轨迹为动平台运动规划路径,以尺度参数和任务轨迹在工作空间的定位参数为设计变量,以机构空间结构尽可能紧凑,而工作空间尽可能大为目标函数、工作空间涵盖任务轨迹、主动件移动范围和关节转角不超过设定极限值为约束,建立优化模型并通过软件编程实现该模型的求解。最后,给出了一个算例。

6-3-3并联机构部分工作空间奇异性分析与仿真

建立了6自由度6-3-3并联机构的运动学逆解模型,给出了该机构奇异性判别矩阵。基于其运动学逆解和奇异性判别矩阵行列式数值是否为零,提出了对该机构部分工作空间进行奇异性仿真的方法并使用MATLAB语言开发了该机构部分工作空间奇异性仿真程序。最后给出了四个算例。研究为该并联机构的轨迹规划提供了技术基础。

确定6自由度6-3-3并联机构位置正解的数值方法

首先,基于机构学理论和6自由度6-3-3并联机构的基本几何关系,利用MATLAB符号数学计算工具箱得到了求该机构正向位移解的非线性方程组。接着将该方程组的求解问题转化为非线性最小二乘问题,使用MATLAB优化工具箱库函数lsqnonlin求出了具有明确工程意义的正向位移解。最后,给出了一个算例。

6-PUS并联机构的运动学正解分析

对6-PUS并联机构的运动学问题进行了分析,着重研究其运动学正解的求解方法。对动平台的位姿变量进行解耦处理,将位置变量表达为姿态变量的函数形式;利用Cayley公式、位置向量的转换关系得到了3个关于姿态变量的约束方程;求解约束方程组得到姿态变量,进而求得位置变量。算例验证了方法的正确性和有效性。

6-HUS并联机构位置逆解与运动学优化设计

针对并联机构设计过程复杂、设计周期长等问题,对6-HUS并联机构运动学逆解及相关参数的优化进行了研究。建立了运动学逆解方程并得到解析解,应用ADAMS软件进行参数化建模并仿真;通过解析解和模拟解的对比,验证模型的正确性;根据性能要求,以滑块最大速度最低为目标对机构结构尺寸进行了优化设计。分析结果表明:该方法方便快捷,缩短了设计周期,降低了产品成本,为同类机构的设计提供了较为精确的实用方法。