3-PRS并联机构冗余设计与工作空间分析

并联机构的冗余特性具有增大有效工作空间、实现容错运动等优点,可提高并联机构的性能。基于3-PRS并联机构结构特点,从运动子支链的构型出发,设计出具有冗余的运动子支链,提出了3-PR(P)S冗余并联机构;运用螺旋理论分析3-PR(P)S冗余并联机构的自由度,建立运动学模型,推导了运动学方程;针对经典蒙特卡洛法求解并联机构工作空间存在边界粗糙、精确度不够问题,提出了一种基于边界极值点增密的蒙特卡洛法,并对3-PR(P)S冗余并联机构进行工作空间分析,给出了具体的求解步骤;最后,通过Matlab进行编程与仿真,绘制出不同参数下3-PRS并联机构与其冗余并联机构的工作空间图谱。结果表明,在相同参数下,3-PR(P)S冗余并联机构的工作空间较3-PRS并联机构有较大的改善。研究为轨迹规划、容错控制提供了理论基础。

3-UPU冗余驱动并联机构的冗余支链优选及仿真

由于当前3-UPU冗余驱动并联机构存在奇异缺陷,造成冗余支链选择方法可靠性低、刚度分布不均。提出一种新的3-UPU冗余驱动并联机构冗余支链优选方法。设计了3-UPU冗余驱动并联机构和自由度要求。将运动平台位姿参数看作变量,求出3-UPU冗余驱动并联机构的力矩阵和力矩矩阵。获取3-UPU冗余驱动并联机构输入,通过位置方程求出驱动螺旋参数和非冗余支链的驱动螺旋,提升可靠性。计算冗余驱动螺旋的参数,获取条件数机构的相关信息,确定刚度矩阵的力矩阵和力矩矩阵,利用灵巧度与刚度获取条件数和刚度最佳的冗余支链,解决刚度分布不均的问题。实验结果表明：所提方法可靠性高、刚度分布均匀。

3-UPU冗余驱动并联机构采矿中的伴随运动消除（英文）

3-UPU并联机构对运动副间隙较为敏感,容易形成奇异,当前方法对其奇异特性进行消除,存在并非正常的转动问题,也就是伴随运动,形成干扰。提出一种伴随运动消除方法,通过添加冗余驱动支链方法,消除3-UPU并联机构采矿中的干扰。对3-UPU并联机构存在的非期望转动问题进行强度评估,根据评估结果限制螺旋和伴随转动间的互易积非零,限制螺旋对伴随转动进行做功。得到伴随转动自由度运动的范数描述,依据范数检测误差限制对非期望转动的干扰幅度,通过添加冗余驱动支链的方法,消除并联机构采矿中的伴随运动。实验结果表明:采用所提伴随运动消除方法时的并联机构工作空间满足采矿升沉幅值以及位移的要求。

3RPS-SPS并联机构的力位混合冗余驱动控制

为了提升冗余并联机构的运动精度和承载能力,以新型3RPS-SPS冗余并联机构为对象,研究并联机构的驱动控制策略。首先,对该并联机构运动学进行研究,根据螺旋理论分析了机构自由度;其次,运用解析法获得并联机构位置反解和位置正解的解析表达式;第三,根据位置反解表达式,求导得到速度、加速度模型,并通过拉格朗日法建立并联机构的动力学模型;最后,提出冗余驱动控制方式下的驱动力分配方法,设计了力位混合控制策略,并搭建了基于Simulink的联合仿真系统进行仿真实验。研究结果表明:该机构具有2个转动自由度和1个移动自由度,在2个转动自由度上,机构旋转运动的角度最大误差分别为5.66×10^(-4)rad与3.45×10^(-4)rad,在移动自由度机构平移运动的位移最大误差为4.01×10^(-2)mm;所提出的力位混合控制策略的最大驱动力(66 N)小于传统位置控制策略的最大驱动力(190 N),并且机构驱动支链驱动力在力位混合控制策略下的分配更均衡。设计的控制策略使3RPS-SPS并联机构具有了较高的运动精度和较强的承载能力。

冗余驱动Tricept并联机构的驱动优化

对冗余驱动3自由度Tricept并联机构的逆运动学和逆动力学进行分析,基于牛顿—欧拉法建立机构的逆动力学方程。针对冗余驱动方式下机构主动关节之间驱动力分配不唯一的特点,研究机构按预期轨迹运动时的驱动优化问题,提出最小化驱动器最大瞬时驱动功率和最大瞬时驱动力的优化方法。结合实例分析机构驱动力2范数优化、最小化最大驱动力优化和最小化最大驱动功率优化的效果,并与非冗余驱动方式进行对比。分析显示,冗余驱动能够较显著地降低驱动器的瞬时负载和瞬时输出功率,并可结合驱动力2范数优化、最小化最大驱动力以及最小化最大驱动功率的优化效果分析,选取适当的驱动方式以实现驱动器瞬时负载与瞬时输出功率的均衡与优化。

冗余驱动过约束并联机构受力分析

含有驱动冗余的过约束并联机构具有承载能力大、各向同性良好等特点,但其同时含有主动过约束和被动过约束,受力分析相当复杂。本文以4-PRRR冗余驱动过约束并联机构为对象对该类机构受力的超静定问题进行研究。首先针对主动过约束问题,基于特定的优化目标求解出各驱动力大小。然后针对被动过约束问题,建立各分支过约束力螺旋系的刚度矩阵和机构整体刚度矩阵,分析驱动力在过约束力螺旋系轴线方向产生的耦合变形,采用加权广义逆方法求解得到过约束力螺旋系幅值。联合Solid Works、ANSYS和ADAMS软件建立机构的刚柔混合模型并进行受力仿真分析,仿真结果与理论值基本一致,验证了理论分析结果的合理性。

一种新型运动冗余并联机构的运动学研究

针对传统3-RPR型非冗余平面并联机构运动过程中存在奇点,且需要较大驱动力矩无法实现平滑轨迹跟踪问题,提出了一种新型3-PRPR运动冗余并联机构。建立了新型并联机构的位置、速度和加速度模型,基于运动学模型进行了工作空间仿真分析,分别对不同末端执行器位置和大小、不同基圆半径对工作空间的影响进行了对比分析,并对工作空间运动轨迹进行了分析。仿真结果表明:末端执行器位置只影响定向工作空间,对可达工作空间无影响;定向工作空间和可达工作空间均与基圆半径成正比;末端执行器大小与定向工作空间成反比,与可达工作空间成正比。相同条件下,与传统3-RPR并联机构相比,所提出的新型并联机构工作空间明显增大,证明了该新型并联机构的有效性。

一种新型冗余驱动并联二维指向机构的研究

以球面5R机构为原型,通过添加冗余驱动支链的方法,得到了一种新型高精度、高承载和大工作空间的冗余驱动并联二维指向机构。以消除机构内部奇异、增大机构工作空间为目标,针对具有特定驱动螺旋的冗余驱动支链进行综合;通过对比各分支,筛选出了一种结构简单、精度高、承载能力强的分支,构成了新型冗余驱动并联二维指向机构,并对该机构的位置反解、雅可比矩阵及其奇异性进行了分析;针对机构工作空间、灵巧性和承载力等性能,绘制了机构的性能图谱;基于机构性能的均值指标和方差指标对机构进行了尺寸参数的优化设计,得到了一种性能优异的冗余驱动并联二维指向机构并制作了样机,为跟踪指向领域提供了一种高品质的机构。

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。

柔索驱动并联机构工作空间算法与布局优化

为了研究不同的工作空间对机构性能评价的准确性和柔索布局对工作空间的影响,本文给出了完全约束和冗余约束柔索并联机构的力螺旋可行工作空间判断条件,即需要同时具备结构矩阵满秩、结构矩阵零空间元素大于0和柔索拉力具有根据实际情况确定的最大最小值限制;推导了力螺旋可行工作空间算法,并且采用8柔索6自由度并联机构进行验证;提出了8柔索并联机构布局方案并进行了工作空间仿真分析,确定新的布局方案对提高柔索并联机构工作空间的有效性。采用提出的算法对新布局方案的柔索与末端执行器铰接点位置进行优化,确定了最佳铰接点位置。结果表明:力螺旋可行工作空间相比于力螺旋封闭工作空间对机构性能评价更准确;布局方案比典型布局方案的力螺旋可行工作空间点数提升约19%。

四自由度冗余驱动并联机器人的结构优化算法

针对平移和旋转混合的四自由度冗余驱动并联机器人(RAPM)结构,提出了通过增加运动约束来实现冗余驱动的优化算法。通过推导RAPM的齐次雅可比矩阵,将末端执行器(EE)上三个点的广义速度映射到关节速度,在此基础上建立RAPM的结构优化算法,减少了末端执行器(EE)的自由度。最后采用基于雅可比矩阵的优化算法,对基于连杆-凸轮机构的RAMP连杆尺寸进行了优化,结果表明该优化算法对在对该类型的RAMP的尺寸优化设计是有效的,该设计方法具有一定的通用性。

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。

利用冗余支链驱动消减弹性并联机构振动

针对弹性并联机构的特点,提出加入冗余支链和冗余驱动的方法来消减弹性机构的振动。这种方法既保留了并联机构的驱动元件安装在固定位置的要求,避免奇异点,也能有效地减小末端执行器上的振动。文中介绍了冗余弹性并联机构的动力学分析方法,用简化的解法给出了仿真结果,说明了此种方法的有效性。

基于免疫遗传算法的冗余并联机构多目标优化

针对电动并联机构驱动能力不足的问题,提出用3条冗余支腿来平衡负载的结构。同时,考虑到实际工况下,速度、驱动力和功率峰值过高给机构带来的负面影响,使用免疫遗传算法对该并联机构的结构参数进行多目标优化。仿真结果表明:与典型的六自由度并联机构相比,优化后电动支腿的速度峰值下降13. 83%,驱动力峰值下降24. 50%,功率峰值下降45. 68%。该冗余结构及优化方案,能够有效提高电动并联机构的驱动能力,适用于重载运动模拟试验台。

具有驱动容错性的冗余并联机构构型综合

目前并联机构大多采用容错控制策略实现驱动故障容错,而从并联机构结构设计角度研究较少。本文基于雅可比矩阵,提出一种评价并联机构分支驱动力失效的可操作性失效度指标,并以冗余并联机构为研究对象,给出机构具有驱动力失效容错性的驱动“同一性”条件。基于螺旋理论,提出一种具有驱动容错性的冗余并联机构构型综合方法,综合出一类具有驱动容错性的三转动冗余并联机构新构型。本文为解决冗余并联机构驱动力失效问题提供了新的思路,丰富了并联机构的构型,为具有驱动容错性的冗余并联机构的应用发展提供了理论基础。

冗余驱动2SPR-2RPU并联机构的运动静力学及奇异性研究

针对打磨、抛光等重载机器人的应用需求,提出了一种新型冗余驱动2SPR-2RPU并联机构。运用螺旋理论计算了2SPR-2RPU并联机构的自由度,并求解了其运动学逆解与速度雅克比矩阵。全面考虑2SPR-2RPU并联机构自身重力因素,利用拆杆法对该机构进行静力学分析,并建立了其静力学模型。针对机构驱动冗余的特点,运用拉格朗日乘数法,以驱动力最小为目标构造函数,对驱动力进行分配求解,获得2SPR-2RPU并联机构在给定运动轨迹下的驱动力变化趋势。根据速度雅克比矩阵对2SPR-2RPU并联机构的奇异性进行分析,结果表明该机构没有运动学正解奇异和运动学反解奇异,但具有2个运动学混合奇异,且2个混合奇异位形可通过合理设计机构杆件尺寸进行规避。研究结果可为实际工程应用中冗余驱动并联机构的研究提供一定的理论基础。

面向在轨装配的冗余索并联机构变刚度控制

为了提高一种面向在轨装配的索并联机构的工作性能,提出了变刚度控制算法。建立了索并联机构的完整刚度模型,分析了绳索张力分布对不同方向刚度的影响。然后,考虑影响绳索张力分布的矢量λ的安全边界,建立了变刚度控制算法,该算法消除了刚度模型中对整体影响较小的耦合刚度,提高了计算效率,并且通过分配权重的方式对不同方向的刚度进行不同优先级的控制。最后,通过仿真与实验对变刚度控制算法的效果进行了验证。以旋拧操作为例,仿真结果表明:在对运动平台施加一定扰动力时,采用变刚度控制算法求解出的索力分布使薄弱方向的振动降低了35%。样机实验结果表明,在对索并联机构样机进行刚度控制后,刚度的测量值与理论值具有较强的拟合性,误差分别为16.3%和14.6%。变刚度控制算法可以提高索并联机构的工作性能,具有较强的实用性,并且可以用于不同类型的冗余索并联机构中。

具有冗余驱动特征的3-RRRS机构的正运动学分析

在动静平台之间采用3-RRRS机构连接,能够实现动平台相对于静平台的6维位姿变化。将S副释放,该机构构型可以用于爬行类仿生机器人的通用结构。该类机构构型由于具有冗余驱动的特征,能够改良动平台的运动性能与工作空间,本文对其正运动学问题进行研究。首先根据结构关系,建立包含冗余驱动变量的运动方程。然后通过Bezout方程及变量代换等,求解冗余驱动变量。最后,给出了动平台方向矩阵及运动轨迹的计算模型,并以算例进行了说明。本文的研究为同类问题的求解提供了参考。

平面三自由度3-RRR并联机构的驱动力矩分析

提出了用虚功原理来研究平面三自由度3-RRR机构的受力特性。对该机构的逆运动学和雅可比矩阵进行了分析。推导出了驱动力矩的的线性形式,然后基于Matlab软件对机构的运动学进行了分析,与ADAMS软件的结果进行了比较,最后得出了驱动构件驱动力矩及运动副反力的变化规律。研究结果为进一步研究此种并联机构的刚度分析、动态性能、机构优化设计和系统控制等都有重要的意义。

冗余并联机床驱动力优化解析

驱动冗余可有效消除并联机构在作业空间中的奇异位形,但其导致驱动力分配不唯一。该文针对一台4自由度的冗余并联机床进行了驱动力解析。在运动学分析基础上,得到各支链的偏速度矩阵及偏角速度矩阵,解算各支链的合力/力矩,利用虚功原理建立了该机构的逆动力学方程,并将其变换为线性格式,然后针对驱动冗余的特点,对驱动力分别进行了力优化及能耗优化,其中,力优化计算简单,而能耗优化可降低最大驱动力。该模型适用于冗余并联机构的动力学参数辨识以及动力学控制。