基于传力特性的2RPR冗余机构优化设计

对于冗余机构而言,传统的设计指标有时无法直接使用,给设计带来了一定困难。在传动角的基础上提出了一种描述冗余机构传力特性的新指标,从而解决了2RPR冗余机构传力特性的描述问题。然后,采用该指标对该机构进行了优化设计。该设计方法对冗余机构2RPR的设计有效并对一般冗余机构的设计具有一定的借鉴性。

平面超冗余机构基于脊线初始位形的避障研究

研究超冗余度机器人的避障问题具有重要的应用意义。首次通过对基于脊线表达的平面超冗余度机器人机构的实际工作空间的分析,提出了一种简单的基于脊线初始位形规划的避障方法。给出的一个平面十杆超冗余度机器人机构的算例证明了所提方法的有效性。

基于4-PPPS并联机构的机身舱段对接方法研究

基于多数控定位器构成的分布式4-PPPS并联机构,实现舱段的自动化精准对接。冗余驱动能够提高机构承载能力、使驱动力分配更加均衡,但冗余系统构成的黎曼流形内存在高维零空间,协调分配的非线性方程具有多约束和非正定性,分配不当会产生过大的应力应变。为同时实现对接过程运动学层面的精准和动力学层面的稳态协同,基于旋量理论,将刚体运动分解成绕任意轴的转动和平移,建立运动学模型、确定关节驱动量。推导非冗余和冗余情况下的动力学模型,并求解舱段角速度和角加速度等影响对接运动特性的模型参数。提出了以力二范数最小为目标对对接运动驱动力进行优化分配的求解方法。以5次多项式描述位姿轨迹,用黄金分割法逼近出最优时间。最后开展了非冗余和冗余驱动的对比仿真,对接过程精准平稳,证明了此方法的正确性和可行性。

8-SPU冗余机构大工作空间/杆长行程优化分析

鉴于并联机器人工作空间较小的状况,对一种等效8-SPU并联机构采用三维边界搜索法对工作空间进行了求解及优化。考虑机构杆长约束、转角约束、连杆干涉,建立逆运动学方程,搜索所有工作空间内的点,绘出了定姿态工作空间的三维边界图,然后给出了两个机构参数对工作空间的影响曲线。最后以体积比杆长行程为目标函数,采用粒子群算法优化后得到最大的函数值。得到全局最优解后,给出了优化后的工作空间三维图以及优化前后综合指标对比。优化结果表明,仅增加27.59%的连杆行程,工作空间体积增加了143.91%,优化效果较明显。

冗余并联机构运动学性能分析与优化

研究了一种4自由度—虎克铰—移动副—球铰/转动副—移动副—虎克铰冗余并联机构的运动学性能评价指标和优化设计,建立了该并联机构的雅可比矩阵,得到了该机构的3个不同的运动学性能评价指标,即条件数、最小奇异值和可操作性,在此基础上,定义了评价不同位形下运动学综合性能的全局灵巧度系数指标,并分别研究了不同性能评价指标在并联机构工作空间内的分布规律。最后,基于全局灵巧度指标,利用遗传算法对冗余驱动并联机构的结构参数进行了优化设计。为该冗余并联机构的结构设计奠定了理论基础。

4自由度冗余驱动并联机构运动学和工作空间分析

提出了能实现二维转动和二维移动的空间4-UPS-RPU4自由度冗余驱动并联机构,并对该机构进行了运动学和工作空间分析。4-UPS-RPU并联机构包含5条驱动分支,其中4条分支为UPS(虎克铰-移动副-球副)结构,1条分支为RPU(转动副-移动副-虎克铰)结构。建立了该机构的位置反解数学模型,推导出了该机构的速度雅可比矩阵和加速度分析表达式,求解了机构的位置反解、速度和加速度,并在此基础上分析该机构的工作空间。研究结果为4-UPS-RPU冗余驱动并联机构的实际应用提供了理论依据。

一种冗余6-DOF并联机构的结构特性与运动学分析

建立转向架参数测定试验台几何解析模型与运动学模型,提出一种基于类线性解耦几何解析法与高阶收敛迭代法相结合的混合策略求解并联机构位姿正解。利用类线性解耦几何解析法建立方程组快速求解位姿正解近似值且作为高阶收敛迭代法的初值。以转向架参数测定试验台为例,基于方位特征集理论(Position and orientation characteristics,POC)对该冗余6-DOF机构进行拓扑结构特性分析和运动学结构分析求得位移传输比矩阵r,根据位移叠加性原理建立方程组求得正解初值,进而运用高阶迭代法求解位姿正解。选取圆形周期性轨迹作为该机构运动轨迹,仿真结果表明,几何解析法求得位姿正解误差值不超过0.8%,且混合策略相比Newton-Raphson法迭代次数减少41%,迭代时间缩短23%,满足了试验的实时性要求。试验台回转角刚度试验结果表明:运用装置测量的回转角度值较给定值误差小于0.041rad,而用提出方法计算回转角度值误差不超过0.019 rad,进一步验证混合策略的有效性与实时性。

基于拉格朗日的冗余驱动并联机构刚体动力学建模

针对4-UPS-RPU 4自由度冗余驱动并联机构的刚体动力学建模问题,基于拉格朗日方程建立冗余驱动并联机构动力学模型。首先,推导出4-UPS-RPU冗余驱动并联机构系统的动能表达式、势能表达式和作用于并联机构非保守力的等效广义力;然后,应用拉格朗日法建立4-UPS-RPU冗余驱动并联机构的动力学模型,为并联机构驱动力的求解以及整个机构的动力学分析奠定基础;最后结合算例,采用Matlab编程对动力学模型进行数值计算并绘制了机构驱动杆驱动力变化曲线,将上述分析结果与ADAMS虚拟仿真结果对比验证了所建动力学模型的正确性。研究不仅为4-UPS-RPU 4自由度冗余驱动并联机构动力学优化设计和控制等后续研究提供了理论依据,也为其他冗余驱动并联机构的动力学建模提供了可行的方法。

电动轮汽车驱动机构冗余优化与主动安全控制

针对电动轮汽车全新的底盘结构策略,采用分层控制,将姿态跟踪与底盘操纵量优化分配相结合,上层姿态控制器采用精确线性化控制策略克服系统非线性,生成改善行驶姿态所需合力矩;下层分配控制器采用二次规划算法,优化因四轮独立驱动而形成的冗余执行机构,综合实现姿态参数跟踪误差和轮胎力输出最小化,优化分配驱动扭矩、制动扭矩,减少整车能耗。仿真结果表明,该控制结构可使运行轨迹很好地跟踪驾驶员给定轨迹且车辆操作稳定性及安全性均得到明显的提高。

具有冗余执行机构的不确定非线性系统的H_∞状态反馈可靠控制

研究了具有冗余执行机构的不确定非线性系统的 H∞ 状态反馈可靠控制问题 .用耗散理论 ,基于 Ham il-ton Jocabi不等式 ,得到了非线性 H∞

新型运动冗余驱动并联机构的控制方法

对并联结构的运动轨迹进行准确、平稳的控制,有利于提高其工作效率。对此,设计了一种3-RPR冗余驱动并联机构控制方法。首先,在不同的两个坐标系中,利用移动副和转动副组成的3条支链,设计了一种3-RPR冗余驱动并联结构,以克服3-RPR非冗余驱动并联机构存在的奇点效应。求取了3-RPR冗余驱动并联结构中各驱动机构、关节点的速度以及加速度方程,以分析其运动学。然后,以预设轨迹和实际轨迹间的误差为依据,构建了滑膜面方程。利用滑膜面方程求取了参考速度与加速度,定义了自适应滑模控制器,求取了驱动力。最后,采用自适应滑模控制器与神经网络控制器对不同预设轨迹进行了追踪实验,在对简单预设轨迹追踪时,本文方法比神经网络控制器在水平、垂直方向上的追踪误差减少了48.15%和44.91%。在对复杂预设轨迹追踪时,本文方法比神经网络控制器在水平、垂直方向上的追踪误差减少了28.69%和28.80%。说明本文方法对3-RPR非冗余驱动并联机构的运动控制特性较好,能够对其运动轨迹进行准确的控制。

2-UPR&2-RPU冗余并联机构动力学与功耗分析

提出一种新型2-UPR&2-RPU结构冗余并联机构,其具有2个转动以及1个移动(2R1T)自由度。运用螺旋理论分析机构的自由度及其运动特性,并利用修正的G-K公式验证分析的准确性,得出该机构含有1个冗余支链的结论。分析机构运动的约束条件,建立各支链的闭环矢量方程,求解得出机构的位置反解。基于符号运算的微分变换法对机构的速度和加速度进行分析,得到动平台速度雅可比矩阵和2阶影响系数矩阵,在此基础上进一步求解得出各支链的雅可比矩阵。运用虚功原理构建该机构的动力学模型,然后根据冗余并联机构驱动力配置方式不唯一的特点,采用驱动力二范数的优化方法推导得出驱动力和驱动功率方程。在此基础上,使用MATLAB对所构建的数学模型编写计算程序,并通过具体数值算例对所构建的运动学及动力学模型进行仿真。最后,为了验证所构建数学模型的正确性,在ADAMS中建立机构虚拟样机并进行相同条件的仿真,将该结果与MATLAB仿真结果进行对比,两者的仿真结果基本一致,表明所构建数学模型的正确性。仿真得出各杆驱动力的最大误差分别为0.091%、1.83%、1.04%、1.40%。研究结果表明,在给定的运动规律的条件下,机构没有产生刚性冲击,在运动的起点和终点处,会产生一定的柔性冲击,整个运动过程中各杆的驱动力变化平缓,驱动力二范数解所做的总功为1143.2 J。

冗余并联柔索机构姿态工作空间的研究

将冗余并联柔索机构应用于飞行器模型的风洞试验,而工作空间是评价冗余并联柔索机构工作能力的一个重要指标,是并联机构设计的重要基础。分析了该冗余并联柔索机构的姿态工作空间的算法,基于此算法提出了机构的非奇异工作空间和实际姿态工作空间的概念及其相应的算法。通过计算机仿真给出了一个具体的冗余并联柔索机构的非奇异姿态工作空间和实际姿态工作空间的三维可视化描述,为该冗余并联柔索机构的设计和使用提供了一些理论依据。

一种平面2自由度冗余并联机构的参数化工作空间分析

该文对组成并联机构的各组成部分的尺寸参数进行无量纲处理,推导了平面2自由度冗余并联机构和非冗余并联机构的结构参数与工作空间的形状之间的关系。计算出两者基于无量纲参数的工作空间的二维谱图。针对是否有工作空间,对非冗余并联机构而言,机构有工作空间的条件是要满足安装条件I1+I2>0.5d。在二维图谱中,必须满足μ+λ>0.5,每个有效点都会对应固定的工作空间。对冗余并联机构而言,有效点需满足的条件是μ+λ>33,但每个有效点不一定都有对应的工作空间。

冗余度机器人机构动力学仿真的高效优化方法

本文针对冗余度机器人机构满足最佳广义驱动力优化问题的动力学仿真方法进行研究 .首先 ,引入广义杆及其质量特征量 .将动力学方程中惯性系数矩阵和哥氏力离心力及重力项的计算转化为广义杆关节广义驱动力的计算 ;其次 ,引入 lagrangian乘子 ,在动力学仿真算法中避免了矩阵的奇异值分解 ( SVD) .本文方法具有递推性强 ,计算效率高等特点 ,适合于冗余度机器人的实时控制 .

含冗余驱动并联机构的混联加工单元运动学分析及实验验证

设计了一款以2UPR&2RPS冗余驱动并联机构为动力头的新型5自由度混联加工单元,并对其进行了运动学分析。首先,基于旋量理论计算混联加工单元的自由度,证实其具有空间两转动和三平动(2R3T)运动能力。其次,运用空间矢量法建立混联加工单元的运动学模型,推导出机构的位置正/逆解解析式。再次,基于分层搜索思想预估混联加工单元的工作空间,给出了5轴可达工作空间的分布。最后,通过开展实验样机的切削实验,验证了运动学分析的正确性。

4-RRR冗余并联机构工作空间的SimMechanics求解

由于传统的工作空间分析方法局限于理论计算,而工作空间分析是机构设计及运动控制的基础,故采用了SimMechanics建立4-RRR冗余并联机构三维仿真实体运动学模型,对工作空间进行仿真研究;利用数值实例以驱动杆和从动杆的影响因子λ为条件采用运动仿真法编程得出了该机构的工作空间。结果表明:该机构的工作空间具有对称性且内部无空洞;当λ逐渐增大时,该机构的工作空间逐渐增大,当λ>0.6时边界处的空洞增加,机构在边界的奇异位置点增多。与3-RRR并联机构的工作空间对比,机构的可达工作空间明显增大,这表明引入冗余是一种有效解决3-RRR并联机构的奇异位形多,增大其工作空间的方法。

4-RRR冗余并联机构混合驱动与能耗优化

为实现3D打印机对曲面的精细化打印,对3D打印机的喷头结构的快速响应和精确控制提出了更高的要求,为此设计了一种可以实现姿态控制的平面4-RRR冗余并联机构。根据机构的特点,在运动学基础上,利用虚功原理建立该机构的动力学模型,然后以混合驱动方式并借助最小二范数法实现机构等效广义力到轴向驱动力的优化。在此基础上,对驱动力二范数和最小驱动总功率进行优化,分别得到角速度、驱动力与驱动功率变化曲线。结果表明:该机构驱动力二范数解和最小驱动总功率解的差异略小,其驱动电机做功减少了1.17%。结合驱动力二范数、最小驱动总功率的优化结果,选取混合驱动的驱动方式,可以实现冗余并联机构驱动器瞬时驱动力与瞬时驱动功率的均衡,并降低机构运动过程中的功耗,实现3D打印机喷头机构的快速响应。

液压驱动冗余并联机构内力分析及抑制

针对液压驱动冗余并联机构内力问题,分析内力空间及其基的构成,在自由度控制框架下研究不同因素对系统内力的影响。提出基于误差最小控制综合算法(Er-MCSI)的内力抑制策略,以克服液压系统中较强的时变非线性和干扰因素对内力抑制效果的影响。以1个具有2个冗余自由度的六自由度液压驱动冗余并联机构为例,仿真研究该机构分别在等位移、等速和等加速度段工况下不同因素对系统内力的影响,并对其进行内力抑制。研究结果表明:提出的内力抑制策略可实现内力抑制增益在线自适应调节,具有较好的内力抑制效果。

4-PRR冗余并联机构驱动力与能耗优化

为在不同马赫数下的流场中进行风洞试验,需对喷管段的型面进行精确控制,为此设计了一种可以实现姿态调整的平面3自由度4-PRR冗余并联机构,根据机构运动特点,利用封闭矢量法和影响系数法求解该机构运动学逆解。在运动学基础上,利用虚功原理建立了该机构的逆动力学模型,然后根据冗余并联机构驱动方式不唯一的特点,提出驱动力二范数与最小驱动总功率的优化方法,分别得到驱动力与驱动功率曲线,并与非冗余3-PRR并联机构的驱动力与驱动功率进行对比。结果表明,冗余驱动能够较明显地降低驱动器的瞬时驱动力、瞬时驱动功率和运动周期内驱动器所做功,两种优化方法驱动器做功分别减少了49. 2%和50. 7%。结合驱动力二范数、最小驱动总功率的优化结果,选取适当的驱动方式可以实现冗余并联机构驱动器瞬时驱动力与瞬时驱动功率的均衡与优化,并降低机构运动过程中的功耗。