传递空间最大化的球面5R并联机构尺度优化

以2自由度球面5R并联机构为研究对象,应用教学优化(Teaching-learning-based optimization,TLBO)算法求解机构尺度优化设计问题。首先,采用坐标变换法推导机构位置反解方程,再以传动角为机构运动或力传递性能评价指标,进而给出球面5R并联机构的优质传递工作空间(Good transmission workspace,GTW)定义和数值计算方法。以最大化GTW面积为目标,建立机构尺度参数约束优化模型,并用TLBO算法求解该问题。结果表明,文中给出的优化模型和算法是可行有效的。

球面5R并联机构的动力学建模及动载分配优化

在动载条件下,为实现并联机构驱动器低能耗、平稳地运行,针对一种球面5R并联机构,对其进行动载分配优化。首先利用矢量法得到了机构的运动学正反解,考虑重力、外力和各构件惯性力的作用,采用拉格朗日方法和虚功原理建立了球面5R并联机构的动力学模型,并对机构的数值算例进行了动力学仿真验证,结果表明:理论值与仿真值的最大误差为1.3%,验证了动力学模型的正确性。然后,基于动力学模型,考虑驱动器输出功率和力矩因素,定义了机构的多目标优化函数,采用B样条插值法规划轨迹,并用归一化加权求和法优化求解该机构的最优轨迹。最后,通过数值算例,验证了优化方法的可行性,且优化结果表明:功率峰值降幅为分别为11.77%、48.75%,力矩峰值降幅分别为0%、51.17%,速度峰值降幅分别为20.97%、8.1%。说明该优化方法可以有效降低驱动器输出峰值,使得并联机构驱动器运行平稳,且该优化方法也适用于其他并联机构。

基于绝对节点坐标法的平面3-RRR并联机构动态特性研究

平面3-R R R并联机构的柔性杆在运动过程中产生的柔性变形会影响机构的输出精度。基于绝对节点坐标法,建立含有柔性杆、刚性动平台的平面3-R R R并联机构刚柔耦合模型,对并联机构的动态特性进行研究,获得并联机构各时刻的位姿和动平台质心运动轨迹。结果表明,柔性杆的弹性变形使动平台不能按照预期的轨迹运行。建立柔性杆局部坐标系,得到了柔性杆中点处挠度值,发现主动杆的弯曲变形远大于从动杆,柔性杆对机构输出精度的影响主要由主动杆产生。仿真结果可以为机构的设计和优化提供理论依据。

1T1R并联机构拓扑设计及其运动学、动力学分析

为了研发和推广应用一平移一转动(1T1R)并联机构(PM),提出了一种新型1T1R并联机构,并对该并联机构进行了运动学和动力学性能分析。首先,根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论与方法,设计出了一种具有符号式位置正解,且运动解耦的两自由度一平移一转动并联机构,并对该机构进行了拓扑分析,计算出了其方位特征(POC)、自由度、耦合度等拓扑特征;然后,根据基于拓扑特征的运动学建模方法,求解了机构的符号式位置正反解;基于雅可比矩阵分析了机构的奇异性,基于位置正解公式计算分析了机构的工作空间;最后,采用基于虚功原理的序单开链法,对该机构进行了动力学建模,求解了该机构的驱动力矩和两个SKC连接处运动副的支反力。研究结果表明:相比基于反解计算工作空间,基于位置正解计算工作空间的效率可提高30.7%;对该机构进行运动学和动力学研究,可以为其结构设计及样机研制奠定基础。

一种低耦合2T2R并联机构的设计与分析

针对传统并联机构结构复杂、位置分析困难、强耦合、不易控制等问题,设计了一种新型低耦合2T2R并联机构。首先,基于方位特征集理论对该机构进行了运动特性分析;然后,为将运动学方程维数降到最小,运用序单开链理论对该机构进行了合理分解和位置建模;最后,结合具体实例进行了分析验证。结果表明,该机构自由度为4,其动平台可实现两平移和两转动;耦合程度较低,具有运动输入—输出部分解耦性;位置方程简单,可解析求解。

空间8R髋关节康复并联机构的运动学分析

提出了一种二自由度空间8R并联机构用于人体髋关节康复。建立空间8R并联机构模型,运用螺旋理论对机构的初始位形及一般位形进行分析;采用D-H法建立空间8R并联机构的几何模型和运动学方程,得出了机构的运动学方程;运用Adams软件和理论计算共同验证了空间8R并联机构运动学方程的正确性,得出了机构在不同运动下,一个周期内的角位移变化规律。此空间8R并联机构性能稳定,能够进行平稳运动,可以有效提高髋关节康复效果。

14R并联机器人机构的位置解析和奇异性分析

分析了14R并联机器人机构的结构组成特点,根据其支链的杆长约束建立了机器人机构的运动参数方程,并推导出封闭形式的位置逆解和正解。其次,基于支链和动平台的力平衡关系得到了机器人机构的力雅克比矩阵,并采用线几何方法对机器人机构的位形奇异性进行了分析,提出了机器人机构支链奇异、平台奇异和主动副运动奇异的判别条件。最后,列举了机器人机构发生支链奇异、动平台奇异和主动副运动奇异的位形示例。研究结果有助于14R机构的参数设计、路径规划及运动控制。

考虑运动副间隙的平面5R并联机构动力学分析

以平面2自由度5R并联机构为研究对象,考虑运动副间隙,完成了动力学建模及分析。首先建立系统几何约束、速度和加速度约束方程,并对含间隙运动副进行详细的几何描述和力学描述。采用牛顿-欧拉方法建立了系统的动力学方程。采用Baumgart稳定算法求解系统运动方程组。针对具体的操作任务对机构末端运动轨迹进行了规划。分析结果表明,理想5R机构能够很好完成快速操作任务,而运动副间隙的存在降低了机构的运动精度和动态性能。

4R1P型平面五杆并联机构的可动性与特征图表示

针对4R1P型平面五杆并联机构,引入虚杆概念。基于Grashof定理,将滑块可达空间分割为若干可动性不同的子域。根据三根RR型构件的杆长关系,将运动链与机构划分为三类和若干子类,给出其可动性的特征图表示。在此基础上,根据移动副参数、滑块位置、构件结构约束以及移动副的主动与否,具体得出运动链与机构的可动性。特征图分析方法适合于4R1P型所有平面机构和3R型平面开链机构。

基于5R并联堆垛机构的运动学分析与示教再现

研究了一种基于5R并联堆垛机构的运动轨迹智能控制的设计方法.该方法通过对5R机构控制系统和逆运动学的分析,给定5R机构2个步进电动机的位置,从而确定连杆末端执行件的位姿,通过使每个电动机角度变化之差平方和最小的方法来解决求运动学逆解时唯一的连杆执行件轨迹点并不能确定唯一的2个步进电动机位姿的问题.示教再现方法很好地解决了5R机构的智能控制,可以减少编程工作,提高堆垛工作效率.

4-■并联机构的动力学性能指标分析

利用位置反解分析4-■并联机构的空间位形,并采用虚设机构法和影响系数矩阵法建立Jacobian和Hessian矩阵,将Hessian矩阵引入全域性能指标中,不同于以往仅采用Jacobian矩阵作为评价机构性能的指标,使得对机构的动力学性能评价更加全面。对全新的4-■ 4自由度并联机构进行速度、加速度和惯性力性能指标分析,给出三项指标的性能图谱。改变机构尺寸,搜索4-■并联机构在不同机构尺寸下的工作空间,在可达工作空间内讨论机构尺寸变化对机构性能的影响,重点讨论Jacobian矩阵和Hessian矩阵对机构加速度性能的影响程度。对比加速度偏差的具体数值,发现Hessian矩阵对机构的加速度性能有着更重要的影响。最后利用Matlab软件对机构进行模型仿真。

一种新型的空间3-■并联机构的运动仿真

对一种新型的3-■4自由度空间并联机器人进行了位置反解分析,建立机构输入运动副与工作点解析关系,在此基础上,利用Matlab软件构建机构的实体模型,模拟机构的实际运动,并利用微分法做出的机构的速度曲线、加速度曲线与影响系数法求出的速度曲线、加速度曲线进行分析比较,验证了影响系数法对少自由度并联机器人求解的正确性,同时也说明利用该仿真模型能够正确模拟机构的运动特性,为并联机构的优化设计提供依据。

3-3R球面并联喷胶装置控制系统设计

设计了3-3R球面并联喷胶装置的控制系统,根据并联机构的运动学特性和制鞋业喷胶工艺要求,采用了固高GT-400-SG-PCI-G运动控制卡,给出了其硬件连接和软件设计的方法。开发了操作简便,交互性良好的喷胶系统控制软件。控制软件实现了单轴控制、坐标系控制(多轴协调控制)、轨迹控制等模块。

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。

一种三自由度并联解耦机构的型综合

基于李群分析了2T1R并联机构动平台运动的几何条件,得到满足动平台运动要求的李群结构。通过线性组合得到多种满足光滑位移子流形的支链构型。建立了并联解耦机构的设计准则。以此为据,得到了2T1R并联解耦机构的KP(kinematic pair)旋量系。从满足三维及四维光滑位移子流形的支链构型中确定出满足解耦条件的支链集。综合出9种基于基本副的2T1R并联解耦机构,绘制了构型简图。应用旋量理论对机构的输出特性进行了验证。研究表明:以李群作为型综合的基础,采用旋量理论进行解耦优化,对于并联解耦机构的型综合具有普适性。

基于空间几何的无伴随运动并联机构分析与综合

一移动两转动(1T2R)三自由度并联机构普遍存在的伴随运动对机构的运动精度及性能有不利影响,为得到一系列1T2R无伴随运动的并联机构,利用空间几何理论及螺旋理论对无伴随运动并联机构进行分析与综合。基于空间几何理论分析了无伴随运动并联机构的转轴条件,结合螺旋理论分析了该类机构动平台平面与约束螺旋的空间位置关系,将至少拥有1T2R自由度的支链分成4类,分析[R]-型支链在不同支链布局下的约束螺旋位置及转轴位置对伴随运动的影响,从而给出了1T2R无伴随运动并联机构的构型准则及结构条件,并通过构型综合得到了105种无伴随运动并联机构。对一种新型2RPU-RPRU无伴随运动并联机构进行了运动学分析,验证了该方法的正确性。

一种仿人肩关节的运动学和工作空间分析

针对人体肩关节的结构特点,提出了一种以球面5R并联机构为原型的仿人肩关节。通过Paden-Kahan子问题思路,推导出了该并联机构的位置反解。基于螺旋理论和指数积公式,并结合直接法和虚拟机构法,给出了少自由度非对称型并联机构的运动学分析方法,得到了该并联机构的速度雅可比矩阵。应用多参数的迭代抽样优化方法,分析了工作空间评价指标与结构参数之间的关系,同时考虑加工装配工艺,最终选取了一组较合理的结构参数。研究结果表明:所提仿人肩关节结构紧凑、工作空间大,且符合人体肩关节活动特点。

基于一类含极少运动副四支链两转一移三自由度并联机构的五轴混联机器人

首先提出了一类含较少运动副四支链两转一移三自由度(2R1T)并联机构(PMs)2RPU-UPR-RPR和2UPRRPU-RPR,然后提出了极限约束力螺旋系的概念,分析四支链2R1T并联机构末端的极限约束力螺旋系,对所提出的四支链2R1T并联机构是否同类机构中含运动副最少进行了论证。基于提出的四支链并联机构构造了一种五自由度混联机器人机构,建立了2-RPU-UPR-RPR并联机构的位置反解模型,并将其等效成一个三自由度串联机构RPR,进而对整个混联机器人机构进行了位置正反解分析,建立得到了混联机器人机构位置反解的显式解析表达式,并用加工球面轨迹的算例对所建运动学模型的正确性进行验证。提出的五自由度混联机器人含有极少的运动副,且所有转动自由度均具有连续转轴,能够得到解析的位置模型表达式,很容易实现轨迹规划与运动控制,具有良好的应用前景。

四足轮腿式移动机器人的步态分析及轨迹规划

针对外星复杂的地表环境,基于2-UPS/(S+SPR)R闭环并联机构,设计了一种四足轮腿式移动机器人。通过对比机器人在运动过程中的稳定裕度与重心调整量得到最优步态,利用ZMP法衡量了机器人在静步态下的稳定性,并用改进的复合摆线法规划了足端的运动轨迹。在整个运动过程中,机械腿运动平稳,速度、加速度变化较为平滑,不会出现对机械腿造成损坏的较强冲击;且在抬腿和着地瞬间,速度、加速度均为0,不会对机身产生冲击。分析结果表明,该四足轮腿式移动机器人运动灵活且平稳,适用于外太空的探测。

TriMule与Tricept机器人刚度解析与比对

为分析比对TriMule机器人与Tricept机器人中两种1T2R并联机构的刚度性能,基于旋量理论,通过力/变形雅可比将支链层面的界面刚度矩阵映射为机构末端笛卡尔刚度矩阵,构造出二者的刚度半解析模型。在此基础上,结合两种1T2R并联机构为球坐标机构的构型特点,推导出二者在给定参考位形下切向线柔度特性各向同性条件的显式表达,并提出评价两种机构切向、法向柔度特性的局部与全域刚度性能评价指标。利用该模型,揭示出两种机构中主动与从动支链的夹角对局部和全域刚度性能的影响规律。研究结果表明,对于一组相同的尺度、结构和任务空间参数,两种机构的刚度性能相当,且其局部与全域刚度性能均是强线性相关的,进而可用前者准确地表征后者。