冗余机械臂奇异位置监测与路径规避方法

机器人运动过程中机械臂位姿奇异问题是由于机械臂逆向运动学解算的伪逆算法固有缺陷导致的,一般会发生在机械臂肘部关节趋近于零、处于安全停靠构型以及其他未知的状态。陷入奇异点后,通常采取路径规划方式避开,处置过程存在状态研判困难、规划耗时、再次操控仍然容易陷入奇异等问题。针对此问题,根据机械臂陷入奇异位置的逆运动学特点,提出了一种基于雅可比矩阵模值和条件数的预警方法和基于距离投影的运动路径处置方法,并进行了仿真验证。结果表明雅可比矩阵模值对奇异位置发生过程更为敏感,适合作为监测参数。

基于洛毕达极限法则的机构奇异位置运动分析

提出了运用洛毕达极限法则分析机构通过死点或切换点时的角速度或速比的新方法 ,并具体应用于具有切换点的GRASHOFneutral机构和GALLOWAY机构的运动分析 .计算分析和实验结果证明 :这两种特殊的平面双曲柄机构的运动周期是原动曲柄旋转二整周 ,而并非通常的一整周 .发现当GALLOWAY机构的相对杆长差取很小值时 ,机构能输出具有超长近似停歇期和反向自锁特性的间歇运动 。

具有奇异位置的多体系统动力学方程的隐式算法

本文研究了在运动过程中具有奇异位置的多体系统动力学方程的隐式算法，给出了隐式算法所用的Ｊａｃｏｂｉ矩阵，并建立了该矩阵中各子矩阵间的计算关系，提高了计算效率，计算结果表明隐式算法的计算速度和精度明显优于显式算法。

确定机构奇异位置的三角化法和矩阵法

该文提出确定机构奇异位置的两种方法：三角化法和矩阵法。三角化法首先将机构位置方程组化为三角形式，然后根据该文导得的补充方程，求得机构奇异位置。该法适合于位置方程个数与待定位置变量个数相等的情况。在矩阵法中，该文扩展了机构奇异位置的定义，并解决了一个关键问题──ｄｅｔ（ＪＴＪ）的求导。矩阵法特别适合于闭环方程Ａ＝Ｉ成立的空间连杆机构的奇异位置。

一种求解复杂平面机构奇异位置的分析图解法

提出了复杂多环路平面机构奇异位置分析的一种简明的分析图解方法 ,即先将机构分解为基本运动链 ,再导出基本运动链的奇异性条件 ,后由其相应的奇异几何图形 ,解出其机构的奇异位置。揭示了机构奇异性分析的三个重要结论。还给出了任意复杂多环路平面机构可能产生奇异位置总数的上限计算公式。最后举例说明了一个双环复杂机构的奇异位置求解过程。

平面四杆机构的奇异位置与装配模式

分析了特殊尺寸平面四杆机构的奇异位置，说明在此位置前后，实际机构的装配模式发生了变化，在计算机上实现四杆机构的动画演示或进行运动分析和力分析时需对其装配模式进行转换。

含4R回路并联机构奇异位置分析

并联机构引进等效4R回路,能有效地改善机构的运动学和动力学性能,同时也会导致奇异位置的改变。运用螺旋理论分析4R机构的奇异位置;在3-PRS并联机构中引进4R回路构成新型3-P(4R)RS并联机构,建立机构力雅可比矩阵,采用Jacobian代数法得到机构可能存在的驱动奇异、平台奇异和支链奇异位置。在此基础上探讨杆长关系对机构奇异位置的影响,并通过Pro/E建立3-P(4R)RS并联机构三维模型,完成其运动仿真,其结果验证了引进4R回路可有效避免机构部分奇异位置的结论。

Stewart并联机构位置奇异研究

对动定平台为两个非相似的半规则正六边形的Stewart并联机构位于给定姿态时的位置奇迹进行了系统地研究。基于建立该并联机构的力雅可比矩阵,推导出机构位于给定姿态时的三维位置奇异轨迹的三次符号表达式。进一步分析发现,该机构的对于给定姿态参数的三维位置奇异轨迹相当复杂,其在一般倾斜截面上的投影曲线的几何特征也很难识别。定义动平台所在平面为特征平面,研究表明在特征平面上的位置奇异轨迹曲线均是一条二次曲线,包括无数对双曲线、四对相交直线以及一条抛物线。对于个别特殊姿态,特征平面上的位置奇异轨迹二次曲线退化为平行于脊线的一对或一条直线。提出并证明关于特征平面上的位置奇异轨迹曲线几何特征的两个定理。此外,基于Grassmann线几何以及螺旋理论简要分析了位置奇异轨迹的运动学特性。

任意复杂多回路平面机构及操作手奇异分析的模块法

提出了求解任意复杂多回路平面连杆机构及操作手奇异位置分析的模块法。即一个复杂机构可看作是由输入主动副和一个或多个零自由度的基本运动链组成 ,对这些数量有限的基本运动链进行奇异分析 ,然后将之看作是复杂机构和操作手奇异分析的基本模块 ;仅当一个基本运动链达到奇异位置时 ,该复杂机构即处于奇异位置。还得到了任意复杂多回路平面机构产生奇异位置的奇异性条件总数的计算公式。因此 ,该方法可求解所有复杂的多回路平面机构及操作手的奇异位置分析。用二个基本运动链及一个十杆复杂机构的奇异分析来演证该方法。

三个复杂基本运动链奇异性条件的求解与识别

提出了求解任意复杂多回路平面连杆机构及操作手奇异位置分析的模块法。即对组成复杂机构的数量有限的基本运动链进行奇异分析 ,推导出这些复杂基本运动链产生奇异位置构型的奇异性条件 ,然后将之看作是复杂机构和操作手奇异分析的基本模块 ;只要一个基本运动链达到奇异位置时 ,该复杂机构即处于奇异位置。在此基础上本文又推导出三个复杂基本运动链产生奇异位置构型的奇异性条件 ,从而扩展了用该方法求解复杂多回路平面连杆机构及操作手奇异位置的应用范围。

力作用下并联机构奇异点动态稳定性

采用分析动力学方法,将并联机构几何约束处理为约束力,得到无乘子二次项非耦合的质点系Lagrange动力学方程。该方程综合反映了质点系速度、输入参数速度、加速度,质点系重力及外载荷等对质点系动力学响应的作用机理。利用该方程对奇异位置处并联机构在自身重力作用下的动力学响应研究,发现在响应初期,并联机构各输入参数具有保持长度不变的特征,并联机构在奇异位置的运动不能被输入参数所控制,产生运动失控现象。采用Lyapunov稳定性理论对外力作用下奇异点动态稳定性进行研究表明,单纯或者联合改变外力大小或方向,难以获得满足稳定性要求的外载荷,不建议采用施加外力来提高奇异点动态稳定性。

混合输入五杆机构构型的分析

利用开链机构的工作空间位置关系、四杆机构的可装配条件和 Grashof准则 ,分析四杆机构的所有构型 .基于四杆机构构型 ,分析满足混合输入要求的所有五杆机构构型 .将混合输入五杆机构分为 3种类型 :无条件三曲柄、无条件两曲柄和无条件单曲柄类型 .根据四杆机构的可装配条件 ,推导出五杆机构不会出现奇异位置的条件 ,即两连杆不共线的条件 .利用此条件 ,进一步得到满足混合输入要求且不出现奇异位置的五杆机构的 3种类型 .这

零耦合度且部分解耦的3T1R并联机构设计与运动分析

零耦合度(κ=0)且运动解耦的三平移一转动(3T1R)并联操作手机构,不仅其运动学和动力学分析简单且能得到解析解,实时控制也较容易。根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论和冗余支链消除奇异位置原理,设计了一种含冗余支链的3T1R并联操作手机构,对其进行拓扑结构分析,主要包括POC集、自由度、运动解耦性以及耦合度分析,表明其耦合度为零且具有部分运动解耦性;根据提出的基于序单开链法的运动学建模原理,方便地求解出机构的位置正解解析解;基于导出的位置逆解公式,分析了机构的工作空间、转动能力及其奇异性条件;推导出机构动平台的速度、加速度变化规律。

低耦合度且部分解耦的3T1R并联机构设计与分析

三平移一转动(3T1R)并联机构具有拓扑结构复杂、耦合度高、输入-输出运动不解耦,且易出现奇异位置等问题。根据基于方位特征(Position and orientation characteristic,POC)方程的并联机构拓扑设计理论和和冗余支链消除奇异位置原理,首先,提出了一种含冗余支链的低耦合度、运动解耦、大转动能力的3T1R并联操作手新机构;其次,对其进行拓扑结构分析,主要包括POC集、自由度、耦合度以及运动解耦性分析;再次,建立了基于序单开链法运动学建模原理的位置正解求解模型,并应用一维搜素方法求解了该并联机构的位置正解;基于导出的机构位置逆解,分析了机构的工作空间、转动能力及奇异性条件;阐明了冗余支链可避免奇异位置,并能增加机构刚度;最后,给出了机构动平台的速度、加速度变化规律。本文为该操作手的机械设计、动力学分析、样机研制奠定了理论基础。

非正交双转台五轴机床后置处理通用方法

针对非正交结构的双转台型五轴机床,提出一种从工件坐标系变换到机床坐标系的逆运动学求解方法。该方法适用于正交及非正交情况下,双转台型、摆头+转台型和双摆头型五轴机床的后置处理问题。分析非正交双转台型五轴机床的结构特点,建立此类机床的通用结构形式。基于点绕空间任意轴的旋转变换公式,建立非正交五轴机床各运动坐标同刀位数据之间的映射关系,实现机床平动坐标和转动坐标的计算。针对机床C轴转动坐标的求解,分析出现奇异位置的情况,给出奇异值问题的处理方法。对整体叶轮流道及叶片加工刀位轨迹进行后置处理,并通过Vericut软件进行仿真试验,验证后置处理方法的可行性和高效性。

一种3T1R并联机构设计及运动学性能分析

设计了一种能实现三维移动和一维转动的4自由度并联机构。分析了机构的拓扑结构及自由度特征。建立了机构位置正反解数学模型,并采用二维搜索法进行数值验证。分析了机构的工作空间、雅可比矩阵以及机构的奇异位形特征。设计了SPS和RR两种冗余驱动支链,结果表明RR冗余支链可在保持机构工作空间不变的前提下,有效消除机构的内部正解奇异。

双模式双三角锥滚动机构设计与运动分析

基于3-RSR并联机构,应用平行四边形机构缩放技术提出一种双模式双三角锥滚动机构.该机构在一般位置状态和奇异位置状态分别具有折叠模式和移动模式.在折叠模式下,仅通过一个自由度即可完成折叠功能,用以减少其存放或运输时所占的空间,同时为其提供隐蔽能力;在移动模式下,机构展开且处于奇异位置,通过3个自由度来进行移动和转向.对自由度及其变化原因进行分析,规划了驱动配置方案.计算缩放比,根据机构的运动方式,规划了滚动步态并进行运动仿真.制作了一台样机,验证了机构变形方式与滚动功能的可行性.

含闭环球铰的三自由度并联机构工作空间分析

目的为并联机床找到最优的工作空间范围,提出一种含闭环球铰的三自由度并联机构。方法根据并联机构的运动学反解,首先求解速度雅克比矩阵;随后在速度雅克比矩阵的基础上,分析并联机构的3种奇异位置,给出奇异位置的数值解,并仿真并联机构在剔除奇异位置情况下的理论可达工作空间;最后,分析并联机构的灵巧度,找到并联机构在理论可达工作空间下灵巧度为0的位置,确定并联机构动平台实际可达工作空间。结果在剔除奇异位置和灵巧度为0的位置之后,并联机构实际可达空间的x轴位移从[-10 mm,5 mm]减小到[-9 mm,-5.4 mm],z轴位移从[-790 mm,-650 mm]减小到[-790 mm,-677 mm],并联机构的转角范围由理论范围的[-30°,80°]转变为[32.544°,64.114]。结论通过分析灵巧度的方式得到并联机构的实际可达工作空间,证明灵巧度对并联机构的工作空间有着较大的影响,从而为该并联机构用于并联机床设计提供一定的理论依据。

基于智能制造技术的码垛机器人在数控多轴加工中的提升与改造

本项目对码垛机器人初始功能进行改造与提升,利用多轴数控机床的加工优势和码垛机器人的性能优势,在码垛机器人的机械手安装新的编码器设备、传动装置和可以安装刀具的主轴,构建码垛机器人能够识别的专用后置处理器,能够实现对复杂零件的数控加工。本项目把原有码垛机器人机械手和五轴数控机床相结合,针对传统五轴数控机床C轴的摆动现象和奇异位置角度转动,提出了利用码垛机器人刀位点插值微调的解决方案。本项目选用企业中的典型零件,对零件曲面的加工轨迹进行了UG建模和加工以及VERICUT运动仿真,来验证本项目工艺提升的正确性。

含双平行四边形结构支链的SCARA并联机构研究

提出了一种含双平行四边形结构支链的新型SCARA并联机构,其包括4条相同支链,具有结构紧凑、承载力和刚度高的优点。首先,基于李群理论对机构的拓扑结构及其自由度进行阐述。其次,构建闭环矢量方程,推导出位置正/逆解,并通过2个数值算例验证位置解的正确性。通过对闭环矢量方程关于时间求导,得到机构的雅可比矩阵,由此建立输入角速度与末端输出速度之间、输入角加速度与末端输出加速度之间的映射关系,并对其进行数值仿真分析。然后,基于位置逆解,运用极限边界搜索法求解机构的工作空间,并绘制相应图谱加以分析。为明确机构动平台的转动性能,进一步研究不同工作平面下的动平台最大、最小转动角的空间分布图谱。在此基础上,借助特征因子构造量纲齐次雅可比矩阵,并利用条件数和可操作度两种方法分析机构的运动传递性能。基于直接和间接雅可比矩阵进一步对机构的3类奇异位置进行分析,明确奇异发生的条件。最后,借助Matlab与ADAMS软件开展仿真实验,验证了理论分析和设计结果的正确性与可行性。