零耦合度部分运动解耦2T1R并联机构拓扑与性能研究

根据基于方位特征方程的并联机构拓扑设计理论和方法,设计、分析了一种零耦合度且部分运动解耦的三自由度非对称两平移一转动(2T1R)并联机构,包括:给出机构的拓扑设计过程,计算其自由度、耦合度κ等主要拓扑特性;其次,基于拓扑特征运动学建模方法,求出其符号式位置正反解,并通过正解进行工作空间计算;同时导出位置逆解方程,得到动平台雅可比矩阵,由此导出机构内各构件的速度、加速度以及奇异性;又运用基于虚功原理的序单开链法进行逆向动力学建模,得到该机构主动副的驱动力变化曲线,同时以子运动链(SKC)为单元,求解SKC连接处运动副的支反力,并通过ADAMS予以动力学仿真验证。最后,分析了该机构可用作不同高度输送带之间物料自动转运、卸料装置的潜在应用场景,并给出了其概念设计。本文为两支链大转角并联机构的高效运动学、动力学建模与分析,以及机构性能优化与样机研发提供了理论依据。

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。

运动解耦且大工作空间三平移机构拓扑设计

根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计方法和运动解耦设计原理,提出一个运动解耦性优异的单回路三平移子并联机构;设计一类4个具有正向位置符号化、部分运动解耦性且具有较大工作空间的三平移(3T)并联机构;对这类机构进行拓扑特性分析,得到相同的方位特征集(POC)、自由度(DOF)、耦合度(κ)、运动解耦性等主要拓扑特性;对其中一个机构进行运动学、动力学性能分析。根据基于拓扑特征运动学建模原理,求出其符号化位置正反解,以及速度、加速度曲线;基于推导出的位置逆解公式,分析机构的奇异位形及工作空间;根据基于序单开链的虚功原理,进行其动力学建模与分析,求解出机构的驱动力。

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。

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。

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。

一种变自由度单回路机构的变拓扑结构设计及拓扑分析

特殊单回路机构通过一些特殊位置后会发生自由度变化,从而使其拓扑学、运动学/动力学性能发生变化,并适用于不同的应用背景。研究设计了一种由8个转动副(R)组成的单回路并联机构,它有3种运动模式,分别为2自由度、4自由度以及3自由度驱动,对应3个机构;然后,分析计算了3种运动模式下机构的方位特征集、自由度、耦合度3个主要拓扑特性,并分析了3种机构变拓扑结构的稳定性及可转变性;同时,对运动模式1、模式3下机构的位置正反解进行了分析。为基于这种变自由度单回路机构单元的可重构并联机构的研究提供了基础。

5-SPS直线动平台并联机构机型与特性研究

首先,根据基于方位特征(POC)和有序单开链(SOC)的并联机构结构降耦原理,设计了一类5种5-SPS直线型动平台并联机构,其中,4种为本文提出的新机构;同时,提出了机构的存在性判别式,并据此证明了5种5-SPS直线型动平台机构的存在性,以及6-SPS、4-SPS、3-SPS、2-SPS直线动平台机构的非存在性;其次,对5种5-SPS直线型动平台并联机构的耦合度、输出方位特征、输入-输出运动解耦性等3个重要拓扑结构特性,以及位置工作空间特性,分别进行了计算与比较,结果表明:直线动平台上球副重合可降低机构耦合度及其位置正解求解的难度,但同时会使位置工作空间减小;含三重球副的机构具有输入-输出运动部分解耦性。

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。

6-DOF混联采茶机器人机构设计与动平衡分析

为确保采茶机器人的精准采摘,研究设计安装于移动底盘的6-DOF混联采茶机器人机构。根据基于方位特征的机器人机构拓扑结构设计理论,提出并设计一个6-DOF混联操作手;对混联机构进行正反解位置分析;以杆长之和最小为目标函数,采用非线性规划法对机构进行杆件尺寸优化;应用有限位置法求出完全平衡时配重的质量参数与位置参数;运用遗传算法研究摆动力部分平衡优化,求出其配重质量和位置参数最优解,部分平衡优化结果表明,质心轨迹在y、z方向上的波动分别减少53.72%、25.10%,总摆动力波动减少43.33%,从而验证了部分平衡优化的有效性。为该混联采茶机器人结构设计与样机研制奠定了技术基础。

约束支链或无约束支链对并联机构运动学与刚度性能的影响--以两个部分运动解耦的新型三平移并联机构的设计、分析及其优选为例

设计了两个零耦合度且部分运动解耦的两支链新型三平移并联机构,它们含有的相同支链Ⅰ为混合支链,而支链Ⅱ分别为约束支链和无约束支链。分析了两个机构的主要拓扑特性,并给出其拓扑解析式;对两个机构的位置正反解、奇异性、动平台的速度与加速度以及工作空间依次求解;进行了刚度计算与分析。最后,比较分析两个机构的运动学与刚度性能,结果表明含约束支链的机构1具有工作空间较大、刚度性能好等优势,为优选机型;给出了机构1用于工件物料在货车与堆场或仓库之间的分拣及转送应用场景的概念设计。

运动解耦且正解符号化的8R两平移空间并联机构的设计与性能分析

提出了机构1、机构2两个新型8R两平移空间并联机构,并对两个并联机构自由度进行了分析计算;推导出了两个机构的符号式位置正解和反解,并基于符号正解对两个机构的工作空间进行了分析;对这两个机构分别进行了刚度建模与动力学建模,分析了两个机构的刚度性能,并求得相同负载下两个机构的驱动力矩;最后对两个机构进行运动学、刚度和动力学性能对比,结果表明机构2为优选机型。

一种位置正解符号化且运动部分解耦的新型2T1R并联机构动力学分析

三自由度并联机构具有结构简单、造价低、运动控制方便,以及刚度高、承载能力大等特点,目前在工业生产等设备中得到了广泛应用,而其中具有移动和转动混合运动的2T1R并联机构具有更高的研究价值。为了研发和推广2T1R并联机构,提出了一种零耦合度且运动部分解耦的空间2T1R并联机构。首先,对该机构的位置正反解进行了分析,并求解了各构件速度与输入速度之间的关系矩阵;然后,运用基于虚功原理的序单开链法,按照机构拓扑结构分解的顺序,分别建立了各子运动链(SKC)的动力学模型,从而得到了整个机构的逆向动力学模型;最后,对建立的动力学模型进行了算例研究,得到了机构的驱动力和2个SKC连接处的支反力,并将其与基于ADAMS的虚拟仿真结果进行了对比。研究结果表明:该2T1R并联机构具有部分运动解耦的优点,且通过仿真对比验证了所建立的逆向动力学模型的有效性和正确性,可为其结构设计和样机研制奠定基础。

基于SKC的新型3T并联机构的运动学、奇异性和工作空间分析

基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论与方法,设计了一种可用于抓取的新型三平移(3T)并联机构。首先,阐述了整个机构的设计过程并对机构的基本拓扑特征进行了分析计算,证明该机构包含两个耦合度κ为0的子运动链(SKC);接着,根据基于拓扑特征的并联机构运动学建模原理,以SKC为序,分别对机构的位置正、反解及其构型进行了求解与分析;然后,根据基于SKC的奇异性分析方法,计算分析了该机构每个SKC内部发生第一和第二类奇异时对应的奇异位形;最后,分析并选取出该机构内部速度传递因数指标较优的任务工作空间。研究为该机构后续的刚度、动力学分析及工程样机设计奠定了基础。

新型两平移一转动并联机构的拓扑设计及性能分析

针对工业生产中需要小范围精确作业,又需要大范围单向操作的双重需求问题,对两平移一转动(2T1R)输出的并联机构进行了研究。首先,采用了基于方位特征集的拓扑结构设计方法,设计并分析了一种新型两平移一转动并联机构,给出了拓扑设计过程,对其自由度等主要拓扑特性进行了验证;然后,采用了基于拓扑特征的运动学建模方法,对该机构进行了运动学分析,研究了该机构的符号式位置正、反解,并根据位置正、反解分别研究了该机构的可达工作空间、动平台中点的速度和加速度曲线以及三类奇异位置;最后,采用基于虚功原理的序单开链法,建立了动力学模型并进行了动力学分析,研究了该机构所需要的驱动力。研究结果表明:该并联机构的速度加速度、驱动力的仿真曲线和理论曲线的相对误差在2%以内,机构的运动学与动力学模型建立无误,可为该并联机构后续的误差分析、运动轨迹规划与控制奠定基础。

一种新型两平移两转动并联机构的拓扑设计及其运动学性能分析

首先,基于并联机构拓扑结构设计方法设计了两平移两转动(2T2R)并联机构,其耦合度为1,并计算了方位特征(Position Orientation Characteristics,POC)集、约束度和自由度;其次,分析了该机构的拓扑特征运动学,求解了该机构的位置正解与位置反解,验证了正解与反解的正确性;最后,基于位置反解对该机构的奇异性、工作空间进行分析计算,得到了机构可能发生的奇异位置,并求得了机构的最大可达空间。这为机构的动力学和动平衡研究以及样机制造奠定了基础。

1T1R新型并联机构摆动力完全平衡及部分平衡优化的设计

应用有限位置法对一种空间1T1R新型并联机构进行摆动力完全平衡设计与部分平衡优化。首先,根据并联机构拓扑结构设计理论,设计一种一平移一转动(1T1R)的新型并联机构,并进行拓扑分析和位置分析。其次,进行树的划分,确定连枝构件,通过求得该机构包含的两个子运动链(SKC)的质量矩,最终求出机构总的质量矩。然后,根据质量矩平衡条件,导出摆动力完全平衡方程组,求得各树枝构件的配重参数并进行完全平衡效果验证。最后,考虑实用原则,进一步研究摆动力部分平衡优化,采用遗传算法,求得最优配重质量和配重位置,并将平衡前后进行对比,通过计算可知:机构质心轨迹在X、Y、Z方向上的波动分别减少了55.38%、26.17%、86.29%,摆动力在X、Y、Z方向上的波动分别减少了58.39%、67.11%、39.19%。

并联机构的结构降耦原理及其设计方法

机构学的难题之一是寻找机构拓扑结构学与运动学、动力学之间的映射规律。前期研究表明,降低机构的结构耦合度可直接降低机构运动学、动力学求解的难度,这揭示了机构拓扑结构学与运动学、动力学之间的关系之一,因此,如何降低机构的结构耦合度已成为机构拓扑结构优化的重要内容,但目前国内外研究很少。研究并联机构的结构降耦原理、设计方法及其应用。定义并联机构结构降耦的概念,澄清并揭示机构结构降耦与机构运动解耦之间的内在区别与联系。从并联机构支链本身的拓扑结构以及支链在动/静平台之间布置的拓扑结构两方面,提出保持并联机构自由度和方位特征不变而降低机构耦合度的两个结构降耦原理,据此,进一步提出了基于设计混合支链的、基于运动副复合的、基于方位特征支链主动化的三种结构降耦设计方法,并分别给出设计例子,得到相应的自由度和方位特征保持不变但耦合度降低的新机构,为其应用研究提供了优选机型。提出的机构结构降耦原理与设计方法,适用于所有的复杂平面和空间平面。

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。

机构自由度公式的基本形式、自由度分析及其物理内涵

对近十年提出的7种自由度(Degree of freedom,DOF)公式及其主要特点进行回顾。给出基于约束分析的DOF公式的统一形式与基于运动分析的DOF公式的基本形式。给出基于运动分析的DOF计算方法与基于约束分析的DOF计算方法。基于DOF公式,确定机构的拓扑结构特征,如机构的DOF、动平台的方位特征集及其维数、独立位移方程数、过约束度、冗余自由度,判定消极运动副与选取驱动副等。揭示DOF公式的物理内涵,即DOF公式表述了机构DOF、拓扑结构与运动方位特征三者之间的映射关系,而机构的拓扑结构和方位特征的运动过程不变性是构建这一映射关系的理论基础。