3-RRR球面并联机构优化设计研究

为了进一步提高3-RRR纯转动球面并联机构的运动灵巧性和有效工作空间的范围,需对机构的结构参数进行优化。首先根据机构的几何特性建立对应的数学模型;进而本着机构工作空间和运动灵巧性最大的原则,提出一种以机构雅可比矩阵条件数为优化对象的遗传算法,对机构中各运动副的角度、电机输入角度及其他结构参数进行优化,与传统结构参数优化方法相比,有效的将3-RRR球面并联机构的雅克比矩阵条件数控制在1.000008,使该机构的运动灵活性获得较大提高;最后根据优化结果搭建物理样机,其末端输出平台的工作空间图像近乎一个完整的球面。优化后的3-RRR并联机构显示出更强的工程实用性,具有更好的应用前景。

球面3-RRR并联机构动力学建模与鲁棒-自适应迭代学习控制

采用Lagrange方法建立球面3-RRR并联机构基于动平台姿态参数的动力学模型。考虑在计算过程中采用线密度、厚度忽略等近似计算及工作过程中机构的磨损等微小变化造成的参数不确定性,进一步建立带参数不确定性的动力学模型。针对其在振动测试中的重复性动作等特点及参数不确定性设计鲁棒-自适应迭代学习控制器,并对此控制器进行稳定性证明。该控制器利用自适应算法对未知定常数的强大学习能力来补偿系统动力学模型的参数不确定项;利用迭代学习算法对期望轨迹进行零误差重复跟踪。由于该控制器吸取了系统动力学模型的已知信息,避免了一般模型未知系统迭代控制时必须满足的Lipschitz约束条件。仿真结果表明,在此控制器的作用下球面3-RRR并联机构能够很好地重复跟踪期望轨迹。

3-RRR平面并联机构模糊PID控制虚拟仪器设计

平面3-RRR机构的运动精度问题严重制约着它在工程领域的应用.为有效提高该机构运动精度,基于模糊PID控制算法建立3-RRR平面并联机构运动误差实时控制系统,搭建机构运动误差控制实验平台,研制模糊PID控制系统的LabVIEW虚拟仪器软件以开展机构运动误差实时控制实验研究.结果表明:该系统可以实时控制机构运动误差,提高机构运动精度,且算法较为简单;开发的测控虚拟仪器软件具有界面友好、操作简单、灵活性强、功能易于扩展、智能化程度高等优点.

3-RRR平面并联机构模糊PID控制系统研究

平面并联机构以其优异的性能在工程领域得到广泛应用,为有效提高机构运动精度,提出了基于模糊PID控制算法的3-RRR平面并联机构实时控制方法。在分析模糊PID控制原理的基础上,建立3-RRR平面并联机构模糊PID控制系统模型,搭建机构控制实验装置,实验研究了机构运动精度的实时控制。结果表明,对3-RRR平面并联机构施加模糊PID控制后,机构角位移误差最大值为2.1°,降幅达53%以上;建立的模糊PID控制系统能够用于机构运动精度实时控制,有效降低机构角位移误差,算法简单,实时性较好。

3-RRR型并联机构运动学研究

针对3-RRR型并联机构的输入及输出构件间的位置关系展开研究.基于运动螺旋理论,分析了该机构的自由度性质,并确定了主动副的位置;建立了机构的逆运动学方程及正运动学方程,并对给定运动平台的位姿进行了数值计算,以验证所建立方程的正确性;研究了机构的运动解耦性以及运动平台的工作空间大小与连杆长度变化的关系;最后,对给定运动平台的运动方程下主动副的输出转角进行了数值仿真.

平面3-RRR并联机构的自激振动实验研究

从平面3-RRR并联机构的位形和关节驱动两方面,研究了位形的奇异性和驱动电机的伺服增益对机器人自激振动现象的影响.首先建立了平面3-RRR并联机构的运动约束方程,求导得到速度约束方程和加速度约束方程,给出位置、速度、加速度的正、逆解,利用速度雅可比矩阵分析奇异特性;然后搭建了实验系统,分析驱动电机的控制原理,分别测试在奇异位形和非奇异位形的自激振动,通过传感器测试驱动关节的位移、速度和加速度,并进行正解得到动平台的位置和加速度,正解得到的加速度与动平台实测加速度吻合较好;最后通过调整驱动电机的伺服增益避免了非奇异位形处的自激振动.

六自由度3-RRRS并联机器人机构位姿正逆解

提出一种六自由度 3RRRS并联机器人机构 ,建立了位姿正逆解的解析表达式 ,其中位姿正解有 4组 ,位姿逆解有 8组 .

基于3-RRRS机构的新型并联机床构型及运动建模

提出了一种基于3-RRRS机构的并联机床构型。RRRS是由3个R副和1个S副组成的支链。3-RRRS机构在上下平台之间连接移动平台,实现移动平台相对于下平台的六维运动;安装在移动平台上的动力头完成机床的加工操作。RRRS运动支链的每个R副配备1个驱动动力,共有3个驱动;整个运动支链系统有9个驱动,具有从属驱动特性,使并联机床具有较大的工作空间和较好的运动动态特性。首先,介绍了新型机床的模块化结构;其次,对基于3-RRRS机构的机床进行建模分析,给出了机床操作中各机构变量的运动和控制模型;最后,给出计算实例,并用运动仿真对计算结果进行了验证。相关工作为后续设备的实际使用提供了理论依据。

考虑干涉的平面3-RRR并联机构的最优化工作空间设计

根据干涉对平面机构工作空间的影响,利用避免干涉设计方法,以平面3-RRR型并联机构为研究对象,建立了一种具有最大化工作空间的新型平面3-RRR并联机构,并对该机构进行数学建模分析。在建立杆件的运动模型的基础上,得到了机构干涉产生的条件,通过数值计算方法,得到杆件形状系数α1和α2变化对平面并联机构空间范围的影响规律。数值模拟了该新型平面机构的工作空间范围曲面,计算绘制了空间干涉范围图形。此外,使用解析方法对该机构的奇异位形进行了分析。解决了最小化机构运动干涉的问题,对机构运动空间进行了最优化,该最优化设计方法也可以应用于其他平面机构。

基于SimMechanics的高速3-RRR并联机构动力学分析与控制

为了满足3-RRR并联机构在工业应用中高速操作,研究其在高速运动中的动力学行为和控制。采用SimMechanics建立3-RRR并联机构的动力学模型,基于该模型对其进行动力学分析。分析结果表明,速度越大,驱动力矩也越大;机构高速运行过程中驱动力矩变化大,且在某些时刻产生突变致使机构产生较大冲击。为了实现高速运动跟踪控制,利用PID控制的鲁棒性,设计PID控制器。仿真结果表明,动平台能较好地实现期望的轨迹,但在初始阶段,存在一定的跟踪误差。

基于三分支非均匀分布球面并联机构的腰关节设计

通过分析球面三转动副并联机构中三个分支的布局对工作空间大小的影响,把一般球面并联机构的三个分支由均匀分布改为非均匀分布,提出了基于三分支非均匀分布球面并联机构的拟人腰关节,选取了一组合理的几何参数,给出了完整的设计方案。该拟人腰关节前弯后弯角度大,基本能满足人体腰关节对工作空间的要求。

可重构单驱动3-RRR平面并联机构连杆曲线与姿态的数值解法

针对3自由度3-RRR平面并联机构驱动与控制复杂、能耗大的问题,利用平行四边形运动链将其约束为单驱动3-RRR平面并联机构。通过数值解法计算单驱动3-RRR平面并联机构的连杆曲线与姿态,并分析重构对连杆曲线与姿态的影响。基于Freudenstein方程推导该机构的输入-输出方程;采用迭代算法建立方程的数值求解方法;通过改变机构的初始输入角,提出一种机构构型的可重构方法。给出一组机构参数作为数值算例,求解得到机构的两种构型,称为构型Ⅰ和构型Ⅱ,以构型Ⅰ为算例,计算得到构型Ⅰ重构前后的连杆曲线与姿态随输入角变化的规律。结果表明:理论曲线与仿真曲线相吻合,验证了求解方法的正确性;重构能够显著改变构型Ⅰ连杆曲线与姿态。

最优化3-RRR球面并联机器人路径规划方法

针对3-RRR球面机器人进行了路径规划方法的讨论,将一种快速寻找最短路径的橡皮筋算法推广到了三维空间,并编制了伪代码。对机器人运动学方程进行了计算分析,得到了其工作空间点云模型。根据其可定向性周期空间的拓扑特性,确定最短路径找寻方向。通过4组算例验证了能量最省路径规划方法的可行性,并给出了各自的点云图,以及1组电机转角的变化曲线。

基于ANSYS的3-RRR柔顺并联机构的特性分析

为了研究3-RRR柔顺并联机构的性能,分别对其刚度、运动学、温度影响分析、模态分析和谐响应分析。采用有限元软件ANSYS对其特性进行比较分析,分析结果可得如下结论:机构能实现3个自由度运动,并且各个输入端对输出位移的影响不同;温度对机构的输出位移有较大影响,而且温度对其输出位移的关系是线性的;从机构的前3阶振型可知,机构能实现3自由度运动;从谐响应分析结果可知,输出位移都是在接近于固有频率的地方有最大值,但不同输入端在不同频率段对各个方向位移作用不同。

基于三分支非均匀分布球面并联机构腰关节的运动学传递性能分析

把基于三分支非均匀分布球面并联机构应用于新型拟人腰关节,可以很大程度改善现有拟人腰关节的性能。为满足该拟人腰关节的性能要求,对其结构进行了运动学传递性能计算与分析,选取了一组合理的设计几何参数,从而使其基本能满足腰关节对工作空间的要求。通过分析腰关节的运动学传递性能,定义了角度传递性能评价指标,并研究了评价指标如何提高全域角速度传递性能。

基于球面并联机构腰关节的力学传递性能分析

提出了基于三分支非均匀分布球面并联机构的新型拟人腰关节,该关节前弯后弯角度大,基本能满足腰关节对工作空间的要求,选取了一组合理的设计几何参数,分析了腰关节的力学传递性能,定义了全域力矩精度传递性能评价指标,并研究了评价指标如何提高全域力矩传递性能。

基于并联球面机构的太阳跟踪装置研究

在分析国内外太阳跟踪装置的研究现状和发展趋势的基础上,提出一种新型双轴太阳跟踪装置,该装置基于球面3自由度并联机构,其具有刚度高,结构紧凑,跟踪范围大,易于实时控制等特点,为太阳能的利用提供了有力的技术支持.

平面3-■RR并联机构过约束分析及自调结构设计

分析了平面3-RRR三自由度并联机构中存在的过约束及其有害影响,详细讨论了在保证3-RRR并联机构平面运动特性的情况下无过约束自调结构的设计问题,得出了几种新的平面三自由度并联机构运动副配置方案,深入分析了2-RCS-RRR结构的自调特性。

含球面副并联机构的可调工作空间求解

为解决并联机构工作空间有限性问题,使其能够适应不同的工作环境及工况。主要以含球面副支链3-PSR并联机构的可调工作空间展开研究。首先在建立含球面副支链3-PSR并联机构几何模型的基础上,利用支链环封闭矢量法求解3-PSR并联机构的运动学方程;其次,综合考虑含球面副支链各运动副约束条件,构建了以滑杆的移动行程和连杆杆长之比为主要影响因素λ的3-PSR并联机构SimMechanics结构框图;然后,研究了影响因素λ对含球面副支链3-PSR并联机构的可调工作空间体积的变化规律;最后,在数值模拟的基础上,数值模拟出λ不同取值时3-PSR并联机构的位置工作空间体积图。研究结果表明,含球面副支链的3-PSR并联机构位置工作空间范围仍然有限,其形状规整分布均匀,且由转动副和球副转角限制的两侧边界、最大、最小杆长限制的上下部边界组成;且随着影响因素λ的取值,该机构可以达到扩大工作空间的目的,为含球面副支链3-PSR并联机构的后续应用设计提供了理论依据。

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。