基于结构降耦和运动解耦的并联机构拓扑结构优化及其性能改善

并联机构的拓扑结构包含各支链本身的拓扑结构以及各支链相对于动/静平台布置的拓扑结构两个层面,后者对并联机构的结构、运动、动力学性能有重要影响,但研究相对较少。阐述机构结构降耦原理及其降耦设计方法,同时,提出一种基于Pro/E-ADAMS仿真运动曲线的机构运动解耦性判断方法,而无须求解机构的输入-输出位置方程。以两平移一转动3-RRR、三平移3-R//R//C并联机构为例,不改变其支链本身的拓扑结构,仅改变其在动/静平台之间的拓扑结构,设计出相应的结构降耦构型和运动解耦构型:两平移一转动机构的耦合度从k=1降为k=0,从而极易求得位置正解解析式;而原先不具有运动解耦性的三平移机构具有了部分运动解耦性,因而运动规划和控制变得容易。对一种3-R//R//C解耦构型的位置正解、运动解耦性、奇异位形、工作空间、灵巧度性能进行计算分析,发现其性能明显优于优化前的原始构型。研究成果为并联机构的拓扑结构优化及其性能改善,以及揭示两者之间的关系提供了一种有效方法。

并联机构运动解耦设计方法与应用研究

根据基于方位特征集（POC）的并联机构拓扑结构设计理论,对国内外已有的2~6自由度运动解耦并联机构,进行拓扑结构及其运动解耦性分析,发现机构运动解耦不仅与拓扑结构有关,而且还与运动参数有关;接着从这2个层面提出了并联机构运动解耦的4个规律,以及相应的基于基本运动链（BKC）合成与分解、基于子并联机构等效支链、基于合理选取基点,以及基于移动副平行、垂直配置等4个运动解耦设计原理及其方法,其中,提出了将并联机构的运动解耦分为位-姿分离解耦、位-姿内部解耦的思路,可作为运动解耦的方向和顺序;进一步,设计了15个运动解耦并联机构。

一种新型的三自由度垂直相交运动解耦液压伺服关节的设计

在总结了机器人各种关节的基础上 ,提出了一种新型的三自由度垂直相交运动解耦液压伺服关节的设计方案 ,阐述了其工作原理 ,并对其进行了优化设计 ,给出了该关节的优化设计参数 ,根据优化的参数设计了该关节 (以 X轴运动为例 )的具体结构 ,最后总结了该关节的特点。

运动解耦和低耦合度选择顺应性装配机器手臂并联机构的设计及其运动分析

根据基于方位特征集方程的并联机构拓扑结构设计理论,设计出一种运动解耦、低耦合度(κ=1)且具有较大转角的新型选择顺应性装配机器手臂并联机构(RPa3R)2R-2RSS,并对该机构进行拓扑特性分析。基于序单开链运动学建模原理,给出了该机构位置正解封闭解的代数法,同时导出机构位置反解,验证了位置正解的正确性。基于位置反解,对该机构的工作空间、转动能力和奇异性进行了分析。

新型6自由度并联微动机器人微运动学及其运动解耦性分析

利用坐标变换法,建立了新型6自由度并联微动机器人的微运动学模型,并对其运动解耦性进行分析;采用不同的初始驱动位移量和驱动方式,对该机器人的有限元模型进行分析,进一步讨论了其微运动学上的解耦性,最后对研制的微动机器人样机进行了运动解耦性测试和验证。该并联微动机器人的运动解耦,为其动力学分析、控制及其标定的简化提供了理论基础。

风洞六自由度机构运动解耦性分析

为了提高高速风洞试验的可靠性,设计了一种适用于支撑外挂物模型的六自由度机构并提出一种尾支杆变换后姿态角的补偿方法。通过串联机器人正向运动学的指数积(POE)公式,推导出机构在模型质心与机构旋转中心重合和不重合两种情况下的运动学正解公式,并给出不重合情况下不解耦姿态角的补偿量。激光跟踪仪标定试验证明该补偿方法具有可行性,从而为实现机构的轨迹规划及实时控制提供了理论基础。

光刻机微动台的运动解耦及位置控制研究

在分析了光刻机掩膜台微动台(简称微动台)结构的基础上,对微动台的六自由度运动进行了几何解耦,将其分解为两个三自由度上的解耦,并从实际系统的角度出发完成了解耦计算。最后针对微动音圈电机位置控制,提出了基于线性扩张状态观测器的增量式PID控制,并取得了良好的控制效果。

三维动画技术应用于6自由度并联机器人的运动解耦

如何在系统实时控制时间限制范围内精确、快速地实施解耦计算 ,是并联机器人实时控制中急待解决的一个关键问题。以往一般采用解析法 (先建立复杂的数学模型 ,然后计算机编程求解 ) ,但是这种解耦方法实际可行性较差。因此 ,寻求解耦新思路、新方法已成为并联机器人研究工作中急待解决的问题。这里就此问题 ,提出了利用三维动画技术进行运动解耦的新思路、新方法。该方法简捷方便 ,开发周期短 。

应用运动解耦的三维动力平台的设计与研究

基于对X-Y移动工作台的工作能力扩展,提出运动解耦的三维动力平台的设计方案,讨论其运动形式和驱动控制方式,同时根据动力平台的具体工作要求对其空间结构、连接传动方式和密封方式等进行具体设计分析。

绳驱动式手术器械运动解耦设计与分析

针对目前手术机器人系统中钢丝绳驱动式手术器械末端关节的俯仰、偏摆和开合动作存在运动耦合的问题,本文提出了一种可实现运动解耦的三自由度钢丝绳驱动式手术器械。对常用的钢丝绳驱动式手术器械的末端关节运动耦合现象进行了分析;设计了对称式腕部机构,完成了钢丝绳在末端机构和驱动单元中的平行对称式绕线布局;建立了驱动末端执行器的钢丝绳受迫形变数学模型;最终确定了腕部机构主要参数尺寸,并进行了解耦验证。仿真结果表明:腕关节在0°~±90°内运动时,驱动同一末端执行器的一对钢丝绳的受迫形变量相同且非常小,进而证明本文提出的低耦合度机构与钢丝绳平行对称式绕线布局相结合的方法能够实现末端关节运动解耦,为手术器械高精度运动控制提供帮助。

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。

一种零耦合度且运动解耦的新型3T1R并联操作手2-(RPa3R)3R的设计及其运动学

零耦合度(κ=0)及输入-输出运动解耦的三平移一转动(3T1R)并联机构,不仅运动学、动力学分析简单,而且运动控制与轨迹规划容易,因而在制造业中具有潜在的运用前景。根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑结构设计理论和方法,设计出一种零耦合度且部分运动解耦的新型3T1R并联操作手2-(RPa3R)3R,并对之进行拓扑特性分析,给出了其方位特征POC、自由度DOF、耦合度κ等主要拓扑特征;基于序单开链(SOC)的运动学建模原理,给出了该机构位置正解求解的封闭形代数方程,并求得其数值解;基于导出的机构位置反解公式,分析了机构产生三种奇异的几何条件;同时,求解了机构的工作空间和转动能力;给出了该操作手机械结构设计的三维CAD模型。研究成果为该操作手的运动尺寸优化、样机研发以及动力学研究奠定了理论基础。

可运动解耦的连续体单孔手术机器人设计与控制

提出一种可拓扑解耦的连续体单孔手术机器人,通过设计中间联动连续体段可以实现多段驱动间的解耦,并且机器人的末端姿态仅取决于远端形变段,实现了位姿分离.基于该运动解耦构形,设计了一种基于空间十字交叉曲面盘的连续体骨架结构来实现具有6自由度的多段连续体机器人,建立了机器人的正运动学,并给出了逆运动学的直接求解法.最后进行了机器人驱动解耦与轨迹跟踪控制实验,经过测试,机器人解耦运动的平均角度误差为2.39°,在20 mm/s的速度及无负载条件下轨迹跟踪误差为1.46 mm.实验表明机器人具有较好的驱动空间解耦能力,并能够基于逆运动学直接求解法实现机器人稳定的运动控制.

解耦球面转动并联机构的运动分析与验证

详细分析了一种解耦球面转动并联机构的运动特性,利用速度关系证明该机构具有3个完全解耦的转动自由度,并具有工作空间大、刚度均匀一致、误差分布全局各向同性的优点。针对机构约束冗余的不足,进一步提出了避免过约束的改进机型。

基于运动解耦的无人机驱动故障自动检测系统

无人机驱动故障检测一直是无人机研发领域面临一大难题之一,因为以往检测系统,如以视觉感知和超声波技术为基础的故障检测系统,无法在交叉耦合作用下将故障信号与正常信号区分开来,从而影响了系统检测性能。在此背景下,针对无人机驱动机运动耦合特性,提出一种基于运动解耦的无人机驱动故障自动检测系统。该系统设计主要由硬件和软件两部分组成,硬件包括采集模块、调理模块、通讯模块、主控模块等四部分,软件主要针对主控模块中的检测程序进行分析,包括故障分离、故障振动特征提取和故障识别。结果表明:本系统总失效概率为0.72%,比以视觉感知和超声波技术为基础的故障检测系统总失效概率低0.19%和0.7%,说明本系统鲁棒性更好,系统检测性能提高。

运动分岔并联机构运动学性能分析

提出一种具有运动分岔特性的并联机构,利用螺旋理论分析了其自由度和运动分岔特性,结果表明当机构处于运动分岔点时,动平台拥有5个自由度,通过驱使不同驱动副,机构可以演变成具有不同运动分岔特性的构型,包括三移动一转动,两移动两转动。为实现两种构型合理切换,采用刚化驱动的方法,选取合理的驱动副。分析并联机构在不同构型下的运动学正反解,得出在两种构型下运动反解方程与正解方程的解析解,机构具有较好的运动解耦性,利用ADAMS验证了运动正反解的正确性。通过雅可比矩阵分析了机构的奇异位形,结果表明在合理的工作范围下两种运动模式均没有奇异位形。绘制了机构的工作空间。基于运动/力传递性能方法分析了机构性能指标,得到了工作空间内的性能分布图,结果显示两种构型都具有较好的运动/力传递特性,优质工作空间大。

基于移动补偿的绳驱动关节运动解耦方法

提出了一种通过移动补偿解决绳驱动关节运动耦合的方法。首先,根据运动耦合的机理推导出解耦的约束条件,并相应地设计了一种2自由度绳驱动机械臂;然后,为分析绳索的弹性形变对解耦效果的影响,应用绞盘方程建立了绳索拉力对关节转角偏移影响的理论模型;最后,开展了相应的试验。试验结果显示当关节不受外力矩时,其最大角度偏移量为0.72°;关节上施加一定力矩后,基于上述模型得到的关节转角偏移量同试验值的差异小于0.02°,此外,关节转角偏移量随着预紧力的增大而减小,且关节的动态解耦性能良好。以上结果验证了提出的解耦方法的有效性和关节转角偏移模型的准确性。

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。

关节联动的单孔手术机器人运动解耦方法

针对单孔腔镜手术机器人的执行器械从驱动空间至操作空间的强运动耦合问题,研究关节联动构型,实现运动解耦,简化运动学模型.首先分析联动构型的运动特性并设计滚轮约束式铰接关节.继而研发了7自由度的联动构型器械,它可实现2自由度的"联动展开".建立了D-H(Denavit-Hartenberg)模型,分析联动构型器械的位姿分离,并通过解析法直接求解逆运动学.然后基于立体角度量手术器械末端在给定点的灵活度,优化联动构型器械的远端段关节布置.实验表明,联动构型器械末端的姿态只取决于远端段关节,"联动展开"只改变器械末端的位置.驱动空间至关节空间的最大误差小于3°,近端段与远端段的驱动之间互不干扰.

大范围平动并联机器人运动学解耦与速度自适应规划

并联机器人是一种多支链、多关节、强耦合非线性系统,具有高速、高刚度和大负载等明显优势而被广泛应用到工业领域。然而,随着关节数量的增加导致该类机器人运动学解耦和高精度平稳控制的难度较大。为实现大范围平动3-RRRU并联机器人自动化轨迹跟踪和控制的平稳性,针对运动学解耦和速度自适应规划方法展开了系统、深入地研究。首先,应用DH法建立了机器人运动学模型,基于结构约束条件完成运动学解耦计算,并在S型控制策略中加入速度自适应修正机制,依据不同轨迹可自动计算并修正最大速度参数,实现自适应优化;其次,采用激光跟踪仪对机器人轨迹进行动态跟踪,对比分析了S型速度和梯型速度控制策略下的跟踪精度,梯型速度规划下其最大误差高达4.513 mm,是S型控制策略的3倍,且位置误差曲线出现多个尖峰值,说明因速度突变导致运动平稳性较差;最后,测试S型速度规划下采用自适应修正机制前、后机器人的平稳性以及轨迹跟踪精度。实验结果表明:当规划路径难以实现机器人加速到原预设最大速度时,在轨迹末端存在较大的惯性速度,产生位置尖峰误差为2.676 mm,是修正后最大误差的2.4倍,且伴随着明显的冲击效应。引入自适应修正机制后圆轨迹的起点和终点位置误差分别为0.722 mm和0.382 mm,二者相对位置偏差仅为0.34 mm,且末端定位误差相比修正前降低了一个数量级,有效解决了机器人存在惯性冲击效应的难题,大幅提高了机器人整体轨迹跟踪的精度和控制的平稳性。