5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床弹性动力学分析

结合有限元法和子结构法建立了5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床的弹性动力学模型。首先,将系统划分为不同的子结构,根据空间柔性梁理论求出单元动力学方程,根据关节特点将各个梁单元组装成各个驱动分支;根据分支与动平台的运动学/动力学约束,将各个分支进行装配,从而得到系统动力学方程。以5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床作为算例,求出其动平台中心的动态响应特性。通过比较5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床及5-UPS/PRPU非冗余驱动并联机床动平台的动态响应,可以得到结论：冗余驱动可以明显改善该机床弹性动力学特性,从而减小因弹性变形引起的误差。研究结果为结构设计人员进行结构设计及优化提供可靠的依据。     

多能域过约束并联机器人系统动力学建模方法*

采用旋量键合图建立球面2-DOF过约束并联机器人机电两种能量并存系统动力学模型,该方法相对传统力学原理动力学建模方法的优点是建模过程规则化,能够得到适合于现代控制理论的空间并联机构状态方程。所建动力学模型只有36个方程,但由于被动过约束(公共约束和冗余约束)和主动过约束(冗余驱动)的存在,共有43个未知量需要求解。为此,针对被动过约束问题,分析三个分支变形引起末端相对于球心O的位移量,增加了6个变形协调补充方程;针对主动过约束问题,提出了采用输入力优化的方法,增加了1个补充方程,最终得到了该机器人完整的多能域系统动力学全解模型。通过数值算例,验证了该方法的可行性和合理性。该方法可以推广到其他包含机、电、液、气的多能域过约束并联机器人系统,为该类多能域机器人系统动力学建模分析提供了一种新的思路。     

平面2-DOF冗余驱动并联机构弹性动力学分析

建立了平面2-DOF冗余驱动并联机构弹性动力学模型。首先,将机构系统的6个连杆视为6个柔性杆件单元,考虑柔性杆件纵向位移、横向位移和扭转变形,基于有限元法和拉格朗日方程建立了机构6个柔性杆件单元的弹性动力学模型;其次,根据转动副的约束特点及各分支与输出轴的约束关系,得到系统的弹性动力学模型。然后,将理论计算与脉冲激振法试验得到的机构在不同位置时的固有频率进行对比,验证了系统弹性动力学模型的正确性。最后,基于系统的弹性动力学模型,得到了机构1阶固有频率随机构杆件截面尺寸参数变化的规律,在此基础上,给定末端运动轨迹,分析了机构在不同杆件截面尺寸及加载情况下的动态响应,为机构杆件结构参数优化设计奠定基础。     

球面2-DOF冗余驱动并联机器人控制仿真及实验

以球面2-DOF冗余驱动并联机器人为研究对象,进行力/位混合控制仿真及实验研究。首先在工作空间内对该机器人末端轨迹进行了运动规划,其次,基于Sim Mechanics与Simlink搭建了机器人系统力/位混合控制仿真模型,并通过数值算例,验证了该方法的正确性与可行性。最后基于仿真结果对样机进行力/位混合控制实验,验证了冗余驱动分支输入通过驱动力优化得到的驱动力矩时,能最大限度减小非冗余分支的驱动力矩,使三个分支驱动力矩更加均衡。     

球面2-DOF冗余驱动并联机器人静力学全解

以球面2-DOF冗余驱动并联机器人为研究对象,在考虑构件弹性的情况下,采用传统的拆杆法建立机构的静力学平衡方程,利用积分法求出各杆件变形,再运用小变形叠加原理建立机构的变形补充协调方程,共得到42个方程,但该机构为冗余机构,共有43个未知数,为此采用输入力优化方法,得到该机构静力学全解。通过数值算例,绘制输出轴在外载荷作用下沿给定轨迹的受力图。研究为该机构在工程中的结构设计与应用提供了静力学理论基础。     

球面二自由度冗余驱动并联机器人系统动力学参数辨识及控制

以伺服电机驱动的球面2-DOF冗余驱动并联机器人为研究对象,首先,建立了机构惯性参数辨识模型,并规划了惯性参数辨识轨迹;其次,建立了机构运动副摩擦参数辨识模型和驱动系统的摩擦参数辨识模型,分别分析了二者的辨识原理,并规划了摩擦参数辨识轨迹;再次,通过辨识实验得到了机构惯性参数、机构转动副摩擦参数和驱动系统摩擦参数的辨识结果,利用辨识结果对原机构参数进行修正,获得了更为准确的机器人系统动力学模型,并通过轨迹测试实验,对辨识结果进行了验证;最后,制定了基于机器人系统动力学模型的前馈控制策略,与传统的机构运动学闭环控制策略进行实验对比,验证了该控制策略的可行性。     

4-DOF混联机器人多能域动力学全解模型及试验

以4-DOF混联机器人为研究对象,分析了混联机器人的运动学,接着基于传统键合图建立了系统驱动部分（电动机和气动部分）键合图模型,基于旋量键合图建立了系统机械本体动力学模型,由于系统的并联部分引入冗余驱动,提出了采用输入力矩优化的方法,增加了1个补充方程,最终得到了该机器人完整的机、电、气耦合的多能域系统动力学全解模型。冗余驱动分支在随动和施加优化得到的力矩（力/位混合控制）两种情况下,借助键合图自动化仿真软件（20-sim）进行多能域动力学仿真;并进行样机的控制试验,将仿真与试验得到的驱动力矩进行对比,验证了所建机器人系统多能域动力学模型的正确性。通过试验可以证明：力/位混合控制时样机运行更加平稳且能有效提高机构的运动精度。     

一种6-DOF冗余驱动并联机器人模型分析与运动控制

主要研究8输入6-DOF冗余驱动并联机器人的动力学特性和运动控制方法,首先描述了该机器人的运动学约束条件,并分析其运动学特性;随后采用拉格朗日法建立机器人动力学模型,并设计模糊自适应PID控制器。最后运动学模型、动力学模型及模糊PID控制器进行了仿真,验证了模型的正确性和控制方法的有效性,为并联机器人参数选取和控制方案制定提供依据。     

混联虚拟轴研抛机床的多柔体动力学研究

为了在自由曲面的弹性研抛中 ,获得稳定的动力学特性和加工效果 ,开发了一种由“3轴并联 + 2轴串联”构成的新型 5自由度混联虚拟轴研抛机床。采用柔性多体系统动力学方法 ,建立了基于Lagrange方程的空间刚 柔耦合动力学模型 ;考虑研抛机床整体的刚性运动与各支链弹性变形间的相互作用及耦合 ,将机床的各个支链和平台看作独立子结构 ,建立各自的动力学方程 ,根据子结构之间的约束关系建立了系统约束动力学方程 ;通过动力学仿真分析 ,获得了较稳定的动力学特性     

3-CPaRR解耦并联机构弹性动力学建模与分析

为研究支链柔性化对并联机构输出运动特性的影响,本文以3-CPaRR并联机构为对象,研究了支链柔性化对并联机构输出运动特性的影响。根据该并联机构的空间位置关系,研究了其运动学规律,证明了该机构的完全解耦特性;基于空间梁单元模型、有限元理论和Lagrange方程,充分考虑各支链的运动协调关系和动力学约束,分别建立了单支链柔性化条件下和三支链均柔性化条件下的3-CPaRR并联机构弹性动力学模型;为验证理论建模的正确性,基于Adams与Ansys软件对该并联机构展开了弹性动力学的联合仿真。最后,将数值计算结果与虚拟样机仿真结果进行了分析比较,结果表明,各支链在柔性化条件下产生的弹性变形对并联机构的输出运动特性产生了重要影响,同时也验证了该并联机构弹性动力学模型的正确性。     

Multi-objective Optimization of a Parallel Ankle Rehabilitation Robot Using Modified Differential Evolution Algorithm

Dimensional synthesis is one of the most difficult issues in the field of parallel robots with actuation redundancy. To deal with the optimal design of a redundantly actuated parallel robot used for an...     

一种6自由度冗余驱动并联机器人运动学分析及仿真

提出一种采用自均力驱动模块构造冗余驱动并联机器人的新方法,根据这种方法构造了一种具有10个输入的6自由度冗余驱动并联机器人。对此机器人的运动反解进行了分析,得到了唯一的显式表达。最后用自行研发的六维鼠标对这种机器人进行了运动仿真,验证了反解的正确性。     

冗余度柔性机器人协调操作刚性和柔性负载的仿真分析

采用有限元方法建立了冗余度柔性机器人协调操作柔性负载的模型。首次对两4R冗余度柔性机器人协调操作刚性和柔性负载进行了不同目标任务的对比数值仿真分析,指出任务空间和初始角度均是影响系统性能的因素,在设计任务时应选择较好的机器人可操作空间给定任务,使机器人采用较好的初始位形进行运动以提高系统性能。在对系统精度要求较高并且负载与机器人杆件具有接近的尺寸、材料更轻、刚度相近或更小时,需要考虑负载的柔性,以获知精确的负载位姿信息,利用运动补偿等方法消除不利因素,提高系统精度。     

“被动冗余度”空间机器人运动学特性分析

分析了“被动冗余度”空间机器人主、被动关节之间的运动学耦合,得到了可用于运动学规划的耦合指标;分析了“被动冗余度”空间机器人的运动学奇异的问题,以及与对应全主动关节冗余度空间机器人的运动学奇异的区别,得到的新的可操作性指标同样可用于机器人的运动规划;推导出了“被动冗余度”空间机器人的最佳最小二乘运动学优化方程,通过“准自运动”实现被动冗余度空间机器人优化控制;通过对平面3自由度空间站机器人的仿真,证实了分析得到的结论。     

应用闭环矢量原理建立三自由度平面并联微动机器人运动学模型

近年来面向生物工程、医学工程及微加工等领域的微操作机器人技术受到国内外学术界和工程界的广泛关注,发展速度极快,已被应用于实现细胞的注射和分割,微机电产品的加工和装配以及微外科手术等。微动机器人具有无摩擦无间隙、响应快、结构紧凑、刚性好、误差积累小等特点,以柔性铰链代替传统铰链后并联机构就正好具备以上特点适合用作微动机器人。本文对三自由度平面并联机器人(3-RRR型)采用闭环矢量原理建立了线性且有效的运动学模型,并利用MATLAB7.1软件编程计算出输出平台的位移、方位角与输入位移的关系。     

一种基于手眼视觉的并联机器人标定方法

提出了一种基于手眼视觉的并联机器人标定方法。基于环路增量法，建立了平面2-DOF冗余驱动并联机器人运动学误差与标定模型；设计了一种标定实验靶板，利用相机采集靶板图像并对其进行分割、识别、旋转补偿的处理，获取机构末端目标位置和实际位置的像素误差值；针对机构自身结构的限制，利用边界曲线识别特征角点，提出了一种基于特征角点确定检测点旋转角度的方法，在补偿相机旋转角度的基础上，再利用简化后的相机针孔模型，将像素误差值通过转换得到机构末端执行器的真实位置误差值；最后利用标定模型和通过视觉系统获取的误差值进行运动学标定。经过4次迭代，机构误差减小为原来的1/3，验证了该方法的可行性。同时该方法具有标定过程用时短、数据量小、实验成本低等优点。     

多输出3D打印冗余并联机器人的设计与分析

设计了一种新型多输出3D打印机器人,该机器人机构以Delta并联机构为主构型,以Stewart并联机构为辅助构型,在末端执行器上布置多个打印头,实现多输出。根据建立的运动学模型,分析了该机器人机构的运动学反解,得到速度雅可比矩阵,解得各驱动关节的速度和加速度。给定动平台的运动轨迹,仿真分析了机构的运动协调性,并对机构的灵巧性与静刚度进行了分析。     

基于工作空间的踝关节康复广义球面并联机器人运动学参数优化

为了解决现有踝关节康复机器人难以完全拟合人体踝关节运动的问题,在仿生学的基础上,提出了一种高匹配度的踝关节运动串联拟合模型,并研发了一款新型的三自由度广义球面并联机器人。为研究该并联机器人的拟合能力,基于螺旋理论分析了其自由度特性,建立了机构的运动学模型,并在逆运动学的基础上阐明该机器人具有部分解耦特性。根据机器人具有双球心的特点,求解了动球心和动平台可达工作空间。最后,以踝关节运动拟合模型的工作空间与机器人的工作空间的匹配度为目标函数,采用遗传算法对运动学参数进行了优化。对比研究机器人与模型的工作空间散点图,并求得有效工作空间比分别为0.79和0.86,结果表明优化后的广义球面并联机器人工作空间能够满足踝关节的运动要求。     

Development of a redundant anthropomorphic hydraulically actuated manipulator with a roll–pitch–yaw spherical wrist

The demand for redundant hydraulic manipulators that can implement complex heavy-duty tasks in unstructured areas is increasing; however, current manipulator layouts that remarkably differ from human arms make intuitive kinematic operation challenging to achieve. This study proposes a seven-degree-of-freedom (7-DOF) redundant anthropomorphic hydraulically actuated manipulator with a novel roll–pitch–yaw spherical wrist. A hybrid series–parallel mechanism is presented to achieve the spherical wrist design, which consists of two parallel linear hydraulic cylinders to drive the yaw/pitch 2-DOF wrist plate connected serially to the roll structure. Designed as a 1R PRRR-1S PU mechanism (“R”, “P”, “S”, and “U” denote revolute, prismatic, spherical, and universal joints, respectively; the underlined letter indicates the active joint), the 2-DOF parallel structure is partially decoupled to obtain simple forward/inverse kinematic solutions in which a closed-loop subchain “R PRR” is included. The 7-DOF manipulator is then designed, and its third joint axis goes through the spherical center to obtain closed-form inverse kinematic computation. The analytical inverse kinematic solution is drawn by constructing self-motion manifolds. Finally, a physical prototype is developed, and the kinematic analysis is validated via numerical simulation and test results.     

面向踝关节康复的四自由度广义球面并联机构运动学性能

针对现有踝关节康复机器人运动特性与人体踝关节实际运动特性存在明显差异,导致人机相容性不理想的问题,基于高匹配度的U₁U₂型踝关节运动拟合模型,提出一种适用于踝关节康复且结构紧凑的四自由度广义球面并联机构。基于螺旋理论分析其运动及约束特性,论证其与踝关节运动拟合模型运动的一致性;分别建立机构的位置及姿态运动学模型,证明了该机构的位置与姿态之间运动学完全解耦;基于雅可比矩阵极其条件数分析,阐明该机构在纯背伸趾屈和纯内外翻运动中均具有运动学的完全各向同性性质,且在踝关节工作空间内具有较好的灵巧性及可操作度,并无奇异位形等病态位置存在,通过数据对比验证该机构具有较好的运动学特性,适用于踝关节康复。