基于混合链的弱耦合三维平移并联机构型综合

提出了混合单开链的设计原理、构造原则及一般设计步骤,设计构造了运动输出包含三维平移的多种实用混合链结构;系统地给出了一种程式化的基于混合链的弱耦合三维平移并联机器人机构型综合过程;得到了8个弱耦合三维平移并联机构原创型基本机型,通过改变主动副类型、运动副位置或支链的局部结构等又可得到众多衍生机型;又按照拓扑结构稳定性与对称性、运动学与动力学问题复杂性、运动输入一输出控制解耦性和加工制造装配性四种指标,对这8个三维平移基本机型进行了定性分类及推荐。     

Type synthesis of two-degrees-of-freedom rotational parallel mechanism with two continuous rotational axes

The two-rotational-degrees-of-freedom(2R) parallel mechanism(PM) with two continuous rotational axes(CRAs) has a simple kinematic model. It is therefore easy to implement trajectory planning, parameter calibration, and motion control, which allows for a variety of application prospects. However, no systematic analysis on structural constraints of the 2R-PM with two CRAs has been performed, and there are only a few types of 2R-PM with two CRAs. Thus, a theory regarding the type synthesis of the 2R-PM with two CRAs is systematically established. First, combining the theories of reciprocal screw and space geometry, the spatial arrangement relationships of the constraint forces applied to the moving platform by the branches are explored, which give the 2R-PM two CRAs. The different distributions of the constraint forces in each branch are also studied. On the basis of the obtained structural constraints of branches, and considering the geometric relationships of constraint forces in each branch, the appropriate kinematic chains are constructed. Through the reasonable configuration of branch kinematic chains corresponding to every structural constraint, a series of new 2R-PMs with two CRAs are finally obtained.     

含有闭回路结构的二平移一转动并联机器人机构型综合

构造了多种包含二平移一转动(2T1R)运动输出的混合链结构,基于有序单开链单元原理,综合出10种新型2T1R型空间并联机器人机构.机构的主动副均直接安装在静平台或接近静平台处,以利于减小机构的运动惯性.分析了各个机构基本特征,如主动副配置、耦合度和运动输入-输出控制解耦性,为机型的优选提供了一定的依据.     

Structural Synthesis of Parallel Mechanisms with High Rotational Capability

Most parallel mechanisms(PMs) encountered today have a common disadvantage, i.e., their low rotational capability.In order to develop PMs with high rotational capability, a family of novel manipulators with one or two dimensional rotations is proposed. The planar one-rotational one-translational(1 R1 T) and one-rotational two-translational(1 R2 T)PMs evolved from the crank-and-rocker mechanism(CRM) are presented by means of Lie group theory. A spatial 2 R1 T PM and a 2 R parallel moving platform with bifurcated large-angle rotations are proposed by orthogonal combination of the RRRR limbs. According to the product principle of the displacement group theory, a hybrid 2 R3 T mechanism in possession of bifurcated motion is obtained by connecting the 2 R parallel moving platform with a parallel part, which is constructed by four 3 T1 R kinematic chains. The presented manipulators possess high rotational capability. The proposed research enriches the family of spatial mechanisms and the construction method provides an instruction to design more complex mechanisms.     

多目标遗传算法在整车轻量化优化设计中的应用研究

采用D－最优试验设计方法对汽车前部关键吸能部件的材料和板料厚度进行多参数空间的样本数据设计;为提高计算效率,将能够代表整车正面碰撞过程的高精度多参数近似模型引入到整车轻量化优化设计中,并利用多目标遗传算法对近似模型进行优化,使得车身前部吸能部件的板料厚度和材料得到合理配置,同时也使得整车质量和B柱加速度尽可能最小。在车辆安全性满足CMVDR294安全法规的同时,也在一定程度上减小了整车的质量。     

6自由度弱耦合并联机构机型设计及其方法

提出了基于混合单开链的6自由度弱耦合并联机器人机构机型设计的一种程式化有效新方法,系统地阐述了动平台可实现三平移及三转动输出的6自由度并联机器人机构机型设计过程。设计出输出构件可实现三平移及三转动的7个新的实用混合单开链,首次给出静平台上6个转动副(或6个移动副)为主动副、具有较低耦合度及某些拓扑结构对称性的27种新的基本机型。通过改变主动副类型、主动副位置或支链的局部结构等又可得到更多的衍生机型。又按照机构拓扑结构对称性、输入—输出运动耦合复杂性、结构简单性及制造装配性能等对基本机型进行了简明分类并推荐了优选机型。     

Conditions for parallel realizable configurations in synthesis of constraint-based flexure mechanisms

In synthesis of flexure mechanism, parallel arrangement is paid more attention due to its advantages, such as compact structure and higher stiffness. Researchers have derived many parallel flexure mechanisms, but seldom discuss which kind of flexure mechanism can be realized via fully parallel arrangement. The realizable conditions proposed in current work are complicated to engineering applications. To solve two problems on how to judge whether a flexure mechanism can be realized via fully parallel arrangement and how to realize those flexure mechanisms which cannot be realized via fully parallel arrangement, the algebraic condition is derived to judge whether a freedom space is parallel realizable after introducing the definition of parallel realizable and some propositions, and the condition is there exist 6-n independent line constraints in constraint space reciprocal to dimensional freedom space. Then the realizable constraint spaces reciprocal to freedom spaces with 1-3 dimensions are provided. As a result, not all freedom spaces are parallel realizable. For freedom spaces that are not parallel realizable, the criterion of decomposing DOF is proposed to achieve all motion patterns via parallel or hybrid arrangement, that is a high dimensional freedom space can be realized via combining several low dimensional freedom spaces which are parallel realizable. Specific decomposing strategies for 4 and 5 DOF are provided and a complete flowchart is presented to guide designing flexure mechanisms, particularly those which are not parallel realizable. As case studies, synthesis processes of two helical and 3T1R motions are provided to illustrate the proposed approach. The proposed method provides a feasible approach to realize all motion patterns.     

一类1T2R并联机构拓扑结构综合及优选

研究了一类1T2R并联机构拓扑结构综合和优选。应用平面机构的组成原理和约束特性,将1T2R并联机构拓扑结构视为由一条串接一转动副的1T1R平面并联运动链和两条空间无约束主动支链组成。统筹考虑机构位姿能力恰当性、支链结构力学合理性、机器人模块可重构性、位置逆解简易性和动平台结构紧凑性等准则,完成1T2R并联机构拓扑结构优选及性能验证。在此基础上,提出一种可继承Tricept机器人优点的新型五自由度混联机器人模块,该模块具有与Tricept机器人完全相同的运动学性能,且绝大部分部件可与Tricept机器人互换。     

具有连续转轴的对称2R1T三自由度并联机构型综合

为综合出更多具有连续转轴的并联机构新机型,提出一种具有连续转轴的两转一移（2R1T）并联机构型综合新方法。运用螺旋理论,给出该类机构约束螺旋的空间布置,提出并联机构连续转轴的判别条件,确定分支运动副类型及空间位置关系。基于分支约束力与分支运动副之间的几何位置关系,证明了该类机构能够实现连续转动。利用该方法对具有平面上任意直线为连续转轴的对称两转一移并联机构进行综合,并仿真验证了研究结果的正确性。该综合方法简单、有效。     

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。     

2-UPR-SPR并联机构转轴分析

两转一移(2R1T)并联机构转动自由度的轴线包括瞬时转轴和连续转轴。转轴的性质和在空间的分布对2R1T并联机构的轨迹规划和运动学标定等具有重要意义,尤其是在对末端姿态能力要求高的应用如五轴数控加工中更为重要。五自由度Exechon混联加工中心被广泛应用于高端制造业,其由属于2R1T并联机构的2-UPR-SPR并联机构和RR串联机构组成。运用螺旋理论,建立2-UPR-SPR并联机构在初始位形、动平台发生单自由度连续转动后的位形、动平台发生两自由度连续转动后位形下的各分支运动螺旋系和约束螺旋系。根据刚体转轴与约束力作用的关系,确定了动平台的两条连续转轴,这两条转轴的方向与机构位形相关,且分别过参考坐标系原点和球铰中心点。     

两层两环空间耦合链机构自由度分析原理

自由度分析是机构构型综合、运动学和动力学研究的基础。过去的几十年,国内外学者主要对空间并联机构自由度分析开展了研究。研究比空间并联机构更加复杂的两层两环空间耦合链机构的自由度分析原理。通过推导两层两环空间耦合链机构的运动螺旋方程,建立耦合链带来的耦合关系的数学模型。基于运动螺旋方程,建立空间耦合机构中刚性子结构的判别方法和自由度分析原理。利用两层两环空间耦合链机构的等效子并联机构的分支运动螺旋系线性组合的特点可以实现自由度性质分析。两个典型的例子被用来说明提出方法的有效性。     

两移动三转动混联机构型综合

基于GF集理论提出一种系统有效的串联、并联混联机构型综合方法。首先介绍GF集的基本概念、运算法则,以及转动特征存在条件。然后通过分析混联机构结构的组成特点,基于GF集元素组合和转动轴线迁移定理,提出了设计混联机构型综合方法,根据机构的拓扑结构和结构参数之间的关系,建立了混联机构数综合方程,给出了混联机构型综合的具体步骤。之后根据混联机构型综合理论,完成了具有2T3R混联机构运动特征的构型设计,得到了大量新构型。最后,针对综合出的一种2T3R混联机构,通过混联机构末端分析方法,验证了所设计出混联机构的运动特征,从而证明了构型综合方法的正确性。     

基于螺旋理论的2R2T四自由度并联机器人机构综合

基于螺旋理论，提出了2R2T四自由度并联机器人对称结构的一种设计方法；通过给定动平台的约束系统，采用螺旋理论和零空间方法，得到支链上所提供的基螺旋系；再经基螺旋系的组合．2R2T四自由度的一种新型的对称结构；分析了该机构的运动学性质。     

球面二自由度5R并联机器人的运动学分析

研究球面二自由度5R并联机器人机构模型，借助球面解析几何理论，建立了机构的约束方程；利用解析法求解了机构的位置正反解，给出数值算例，绘制了相应的位置正解装配图和位置反解装配图；利用对机构约束方程求导数法得到机构的雅可比矩阵。研究结果为该类机器人的进一步分析打下了理论基础。     

Type Synthesis for 4-DOF Parallel Press Mechanism Using GF Set Theory

Parallel mechanisms is used in the large capacity servo press to avoid the over-constraint of the traditional redundant actuation. Currently, the researches mainly focus on the performance analysis for...     

混联支路并联机器人动力学建模方法

混联支路并联机器人具有独立运动输出、高刚度、控制解耦等优点,但支路中闭环结构的存在也增加了运动学分析和动力学分析的难度.基于此,通过将支链与动平台完全断开以及将混联支路完全退化为串联支路或树状支路,提出基于虚功原理和等价树状结构的混联支路并联机器人动力学建模方法,推导出封闭形式的混联支路并联机器人逆动力学和正动力学模型,动力学模型的维数等于机器人的自由度数.利用最小惯性参数和递推牛顿-欧拉法可以减少支路逆动力学模型的计算时间,应用该方法对两种混联支路并联机器人(2-P(Pa)R-1-PUU和3-PU*)进行运动学分析和动力学分析,该方法适用于各类混联支路并联机器人,可以指导混联支路并联机器人的结构参数设计和驱动器选配,并可用于机器人的实时动力学控制.     

多模式空间6R地面移动机构

提出一种新型空间单闭链F1C1（约束力F和约束力偶C）约束型6R（转动副）机构,并应用其研制一种地面移动机器人。基于单环运动链构型综合方法,构造出空间单闭链单自由度F1C1约束型6R机构,应用螺旋理论进行自由度和奇异位置分析,结合地面移动需求构造地面移动机器人,进行了杆件形状的设计,规划驱动电动机布局方案,完成运动学和移动机理分析,规划类蠕动、平面4R转向和内翻三种移动模式,分析越障性能,揭示其突出的折展特性。制作样机,验证了多模式空间6R地面移动机构方案和运动规划的可行性。     

基于球面五杆机构的变胞并联机构构型综合

提出一类基于球面五杆机构的变胞并联机构。基于具有解耦特性的球面五杆机构,应用螺旋理论综合出一类具有变胞特性的可重构混联支链,该混联支链由一个球面五杆机构和一个四自由度串联支链混联而成,应用三条相同的所述可重构混联支链构型出一类变胞并联机构。不同于现有利用约束奇异和支链奇异综合可重构并联机构的方法,提出利用球面五杆机构的解耦特性和关节锁死的方法来实现并联机构的可重构,因此该类变胞并联机构可有效避免重构过程中的约束奇异以及支链奇异。该类变胞并联机构可在一个广泛的范围内变换其工作模式和自由度,且伺服电动机均可安装在机构的固定平台。提到的方法可应用于其他基于解耦闭链的变胞并联机构构型综合。     

利用约束螺旋理论综合的空间对称2-DOF并联机构

首先按运动功能对两自由度空间并联机构进行分类,得到了空间2Ryz型（绕y轴和z轴转动)和1Rz1Tz型(绕z轴转动和沿z轴移动）的两自由度机构;给出了两类并联机构的分支约束螺旋系和机构约束螺旋系,以及保证所有分支约束螺旋的合成是期望的机构约束螺旋系的几何条件。对这两种空间并联机构运用约束螺旋综合理论进行系统的型综合,得到了可实现连续运动的具有绕定平台平面内两轴转动的并联机构以及沿着定平台法线方向移动和绕其转动的两自由度并联机构;得到了两自由度并联机构各种类型的分支链结构,以及两类机构的结构约束特性。将少自由度对称并联机构类型由原来的9类扩充到11类,丰富了机构类型。