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。

无伴随运动2PRU-PRUR并联机构高维多目标优化设计

设计了一种无伴随运动的面对称一移动两转动2PRU-PRUR并联机构,应用旋量理论分析了机构自由度和运动特性。将末端执行器输出轴设置为偏置形式,可提高姿态能力。采用球面姿态角(方位角和倾摆角)描述该输出轴姿态,并推导出机构逆向位置符号解。以旋量理论为数学工具,给出局部和全域传递性能指标的定义和计算方法。在机构性能评价和工作空间分析的基础上,建立了机构尺度参数昂贵约束高维多目标优化模型,并采用多目标进化算法求解该问题。同时,为提高高维多目标优化算法在解决此模型时的性能,提出了一种矢量角高维多目标差分进化(Vector-angle-based many-objective Differential Evolution,VaDE)算法,可综合平衡个体的收敛性和分布性。应用VaDE求解机构高维多目标优化问题,得到多组Pareto备选解。研究结果可为机构尺度综合和实际应用提供参考。

无寄生运动3-DOF 2T1R并联机构拓扑设计与分析

为充分研究少自由度并联机构所具备优势,拓宽其应用领域,设计并研究一种含冗余支链且无寄生运动三自由度两平移一转动(2T1R)并联机构,完成运动学和动力学分析。基于方位特征集(POC)的拓扑机构学理论方法,设计了一种含冗余支链且无寄生运动的两平移一转动并联机构,并进行拓扑分析,结果表明:该机构还具有部分运动解耦特性;根据基于拓扑特征运动学的建模方法,求得机构位置正反符号解;又基于位置反解分析了机构奇异性,基于位置正解给出了工作空间;基于虚功原理的序单开链法对机构进行动力学建模,求得了该机构移动副处的驱动力以及两个子运动链(SKC)连接处的支反力;概念设计了该机构的一种应用场景。

单回路空间两平移并联机构拓扑设计与尺度优化

针对狭小空间内工作机器的需求,根据基于方位特征集的并联机构拓扑设计理论和方法,设计了12个移动副驱动的单回路空间两平移并联机构,并对其进行了自由度计算;对其中8个机构进行运动学建模,分别推导出其一元八次方程(封闭解)和符号式反解,并进行数值算例验证;运用差分进化算法以限定尺度约束下的可达工作空间最大为优化目标,分别对其中8个机构进行尺度优化,并求得其对应的可达工作空间,对比分析后优选出2个具有最大可达工作空间的两平移并联机构;为刚度分析、动力学分析及结构设计奠定了基础。

正解符号化且运动解耦的2T1R并联机构拓扑设计与分析

基于方位特征(POC)方程的并联机构设计理论与方法,设计了一种全部由低副组成、具有位置正解符号化且部分运动解耦的两平移一转动(2T1R)并联机构,并对机构的主要拓扑特征(POC、自由度、耦合度、运动解耦性)进行分析与计算;基于拓扑特征运动学建模原理,导出机构符号式位置正解和反解;同时,由位置反解分析了机构奇异性,基于符号式位置正解求解了机构工作空间;根据基于虚功原理的序单开链法,对该机构动力学性能进行分析,计算得施加在3个驱动副上的驱动力;最后,对该机构应用于无人机操作及其安全着陆的动作原理进行了概念设计阐述。

柔顺并联机构运动静力学建模与实验研究

柔顺并联机构具有无摩擦、无磨损、无间隙、整体加工和较少装配等优点,广泛应用于微/纳米定位领域。针对大行程平面柔顺并联机构,提出了基于柔度矩阵法的运动静力学建模方法。应用该方法,建立了3-PPR平面柔顺并联机构的运动静力学模型。为进一步验证模型的正确性,设计了基于三轴激光干涉仪和NI数据采集模块的多传感信号同步数据采集系统,并搭建了实验装置,实现了对机构驱动力、关节位移和末端位移的数据采集与分析。实验结果验证了实验方法的可行性和模型的正确性。

考虑润滑间隙效应的空间并联机构动力学优化

为了改善润滑间隙效应引起的空间并联机构动态性能的渐变劣化问题,以3-RRPaR冗余并联机构为研究对象,提出一种考虑润滑间隙效应的空间并联机构动力学优化方法。建立了考虑润滑转动副间隙的3-RRPaR冗余并联机构动力学模型;以优化末端执行器的动力学响应误差和优化间隙关节处的约束反力为目的设置目标函数,通过优化末端执行器质量以及转动惯量的方式来缓解运动副间隙导致的劣化效应,建立了考虑润滑间隙效应3-RRPaR冗余并联机构动力学优化模型;试验验证了所建动力学模型的有效性,对比分析两种目标函数对优化效果的影响以选择最佳优化方式,并分析优化前后考虑润滑间隙效应的空间并联机构动力学特性,结果表明动力学优化使润滑间隙转动副处约束反力峰值降低16.16%,为改善间隙效应提高空间并联机构动态性能提供了理论支撑。

基于PCA/PSO的3T1R并联机构性能优化

根据少自由度并联机构应用广泛的优点,提出了一种3T1R并联机构,该机构具有构型简单、结构对称、定位精度高等特点,可应用于小范围的精密操作,或者是大范围的搬运、分拣以及喷涂等领域。基于方位特征方程的拓扑分析理论,对该并联机构完成了自由度种类以及数目的分析与验证;基于闭环矢量法完成了运动学模型建立,并通过位置正逆解算例验证了运动学的合理性。基于位置逆解方程利用极限边界搜索法分析了3T1R并联机构可达工作空间;通过速度分析建立了速度雅可比矩阵,并根据该矩阵分析机构的定位精度与可操作度性能指标。利用主成分分析(PCA)与粒子群算法(PSO)对3个性能指标进行优化设计,并对优化结果进行了分析,最终优化后可达工作空间体积从0.2933m3提高到0.4231m3,定位精度误差放大因子从15.5044减小至4.4308,可操作度指数从9.7027减小至1.3996。

面向波浪能转换的弹性支链并联机构优化设计

基于弹性支链并联机构的波浪能转换装置能够采集多方向不规则的波浪能,并且实现向机械能、电能的转换。装置结构参数设计是影响波能转换效率的主要因素之一。动平台在波浪力作用下存在空间位姿的不断变换,通过建立机构的运动学逆解模型,获得给定动平台位姿下弹簧支链的伸缩变形量。针对机构几何参数及支链弹簧物理参数对弹簧支链变形过程中弹性势能的影响,分别进行单参数试验设计及灵敏度分析,确立将支链弹簧系数、动静平台铰点分布角及分布圆半径、平台之间的高度等相关结构参数作为设计变量。进一步以机构运动过程中弹性支链的最大变形能作为优化目标,基于ADAMS/Insight构建多设计变量优化数学模型,通过求解获得机构最佳设计参数。研究结果对改进波能转换装置设计以及提升波浪能转换效率具有重要的意义。

一种新型3-RRPU并联机构的运动学及鲁棒控制研究

针对现有的三平移并联机构大多正解不唯一、较难实现精确稳定运动控制的问题,提出了一种新的3-RRPU型三平移并联机构,同时研究了机构的运动学、动力学及轨迹跟踪控制方法。首先,运用螺旋理论分析了该机构三平移的原理,进行了驱动输入的选取与论证,对机构平台奇异性、驱动奇异性和支链奇异性进行了分析;其次,运用运动学理论建立了运动学模型,推导了位置正、逆解析解;再次,运用拉格朗日动力学理论建立了机构操作空间的刚体动力学模型;最后,提出了一种基于非线性反馈解耦的自适应滑模轨迹跟踪控制方法,以证明其控制稳定性,并基于动力学模型对空间轨迹跟踪精度和控制力矩进行了仿真分析。研究结果表明:3-RRPU并联机构的位置正解在一般位形下具有唯一性,机构的平台奇异位形和驱动奇异位形少且无支链奇异。该轨迹控制方法可使机构在载荷20 kg、速度0.18 m/s、加速度0.12 m/s 2下,实现0.002 m以内的高精度复杂轨迹跟踪;基于Sigmoid函数的轨迹控制方法还能有效削弱控制力矩的抖振,为实现工业领域高速、高精度、高性能的三平移运动提供了新方法。

冗余驱动并联机构受力特性的控制方法研究

针对冗余驱动并联机构的驱动力优化,提出冗余驱动并联机构的位移协调模型,该模型考虑了各驱动臂的弹性变形和执行机构的位移。研究全位置控制、混合位置/力控制和全力控制3种控制方法在冗余驱动并联机构的力学特性,分析每种控制方法中驱动力/力矩、作动器位移、外载荷和驱动臂刚度之间的相关性,揭示了不同控制方法下输入位移和驱动臂刚度对力分布的影响规律。最后通过冗余驱动并联机构的实验平台,对3种控制方法进行了验证,并探讨了3种控制方法在不同工况下的应用。

一种新型3-R(4r)(4r)R并联机构及运动学分析

本文提出了一种3-R(4r)(4r)R型全对称三平移并联机构,运用螺旋理论分析了该并联机构实现三平移的机构学原理,进行了驱动输入的选取,分析了机构平台奇异、驱动奇异和支链奇异的特性,建立了机构运动学模型,获得了运动学正、逆解析解,并通过数值仿真验证了正逆解模型的正确性。研究结果表明,该并联机构无平台奇异,运动学模型简单且正解唯一。

3轨式横向对称分布6-PSS并联机构及性能优化

针对多滑块共轨式6-PSS并联机构存在的姿态工作空间小、容易奇异等问题,课题组提出一种3轨式分布的6-PSS并联机构(P为移动副,S为球副)。该并联机构杆件长度和轨道间距呈不均匀布置,以提升姿态工作空间;采用闭环矢量法进行位置分析,通过极限边界搜索法求解工作空间;基于运动/力传递指标对机构性能进行评估,并采用性能图谱法基于全域指标GTI进行机构尺寸优化。结果表明优化后机构运动/力传递性能有显著提升,同时姿态工作空间也得到提升。该机构在工程上有一定的实用性。

一种用于汽车零部件分拣与传送并联机构的设计及动力学分析

为实现对汽车零部件的智能分拣与传送,提出了一种全铰链新型一平移一转动(1T1R)并联机构,其结构简单且部分运动解耦。首先,基于方位特征方程的拓扑设计理论和方法,设计、分析了一种2自由度1T1R并联机构;其次,基于拓扑特征运动学方法,求解出机构的符号式位置正解,并对该机构的工作空间、奇异性进行了计算;最后,运用基于虚功原理的序单开链法,求得其驱动力矩和子运动链(Sub Kinematic Chain,SKC)连接处的支反力。研究为汽车零部件并联机构设计研究奠定了基础。

2-RRR并联机构的运动学及工作空间分析

针对当前主从式医疗手术机器人主手结构设计及高精度运动的需要,设计了一种可在空间中做定心运动的两自由度并联机构-2RRR型并联机构。首先,基于约束螺旋理论分析了该2-RRR并联机构的自由度数目和性质,并采用修正的Grübler-Kutzbach准则对机构的自由度分析进行验证;然后,基于机构的结构特性及几何约束条件,采用封闭矢量法构建了机构的正逆运动学模型,获得了其位置的封闭解;最后,通过仿真软件Adams对机构进行了运动学仿真计算验证,仿真结果证明了机构设计的合理性及运动学求解方法的正确性,为该并联机构在医疗手术机器人主手中的设计与应用提供理论依据。

3RPS并联机构的运动学误差建模及其分析

为了提高XYZ-3RPS六轴卧式混联机床的运动学精度,建立了3RPS并联机构的运动学参数误差模型。首先对3RPS并联机构的几何误差源进行了分析。然后基于闭环矢量微分法建立了3RPS并联机构包含铰点位置误差、转动副轴线方向误差、驱动支链零位杆长误差等27项结构参数误差对末端位姿误差的映射模型。最后设计了仿真实验,利用ADAMS的虚拟样机技术,获取机构实际末端位姿误差。通过与误差模型的结果对比,验证了所分析的27项结构参数误差设定值在(0.1~0.2)mm的范围内,误差模型的位置误差求解精度大于0.01mm,姿态误差求解精度大于0.01°。进一步的数值验证表明,误差模型的精度会随着结构参数误差值的减小而显著提高,为3RPS等少自由度并联机构的误差建模和运动学标定提供理论依据。

利用用户数据报协议数据驱动的液压六自由度并联机构虚拟现实技术

针对复杂系统虚拟现实技术应用时实现精准描述系统的动态工作原理,复现真实系统的运动控制功能比较困难的问题,以具有高阶、非线性、强耦合等特征的液压六自由度并联机构为研究对象,提出了一种利用用户数据报协议(user datagram protocol,UDP)实现专业软件MATLAB与虚拟现实开发软件Unity3D的虚拟现实技术。首先利用三维建模软件SolidWorks构建并联机构三维模型,将模型导入Unity3D软件中并对其施加关节约束;其次对并联机构进行运动学反解,建立MATLAB与AMESim联合仿真模型;最后通过UDP协议,实现MATLAB与Unity3D双向实时数据交互并驱动虚拟机构动作。仿真表明:虚拟机构动作完全符合真实物理系统的工作原理,基于UDP协议数据驱动的虚拟现实技术具有很好的准确性与实时性。

指定任务空间的并联机构尺度参数多目标优化方法

尺度参数优化是并联机构研究中一个重要且具挑战的问题。现有尺度参数优化的性能评价都是基于PM的全局可达空间,而实际并联机构是在指定大小的任务空间中使用的。本文提出了一种多目标尺度参数优化方法,通过将并联机构的尺度参数与指定的任务空间相关联,构建了一种新的归一化参数设计空间,并采用新的性能指标来评估并联机构在指定任务空间中的性能,该方法能在不同并联机构几何约束的设计空间中找到多目标优化结果。最后,以Delta并联机构为例,将该方法的尺度优化结果与传统全局优化方法进行比较,发现采用该方法优化的Delta机构在指定任务空间中具有更好的运动/力传递性能,从而证明了该方法的有效性。该方法也适用于其它并联机构指定任务空间的尺度优化。

并联机构构型研究概述

并联机构是一种新型机构,具有传统串联机构无法比拟的优点,是串联机构的补充和扩展,对于机床技术和机器人技术的发展具有重要作用。本文介绍了并联机构的由来、特点和应用,并详细介绍了少自由度并联机构和解耦并联机构的构型发展,指出了并联机构需要解决的问题。

基于结构相似性的并联机构拓扑与尺寸同步设计方法

随着并联机构从单一尺寸设计和拓扑设计向两者融合方向不断发展,基于拓扑叠加-再惩罚和全变量正交设计-再拓扑的同步设计方法得到广泛应用,但两者存在设计效率低等不足。为解决上述问题,本文提出了一种基于结构相似性的并联机构拓扑与尺寸同步设计方法,该方法拓扑优化时以相同质量保留此条件下尺寸参数小范围变化对拓扑结构微弱影响为切入点,通过拓扑结构参数化缩放和刚度-质量元模型构建,形成并联机构尺寸-拓扑同步高效设计流程。以典型■RS并联机构为例开展算例验证与对比分析,结果表明,相同质量条件下,所提设计方法比尺寸设计方法得到的各向刚度更高,即拓扑优化使RS连杆的材料分布更加合理。