空间光学镜并联指向机构优化

针对空间光学镜指向机构高精度、轻量化的特殊要求,提出一种基于球面5R机构的新型空间二维并联指向机构。传统球面5R并联机构存在负载不便安装的问题,通过设计非对称支链形式和特殊连杆结构,有效解决了这一问题。基于机构的运动学分析,以工作空间、灵巧性和承载能力作为优化指标,采用图谱法对机构的结构参数进行了优化设计。采用有限元方法对优化后机构的不同负载布置形式进行模态分析。优化结果表明非对称支链形式机构具有更好的灵巧性指标。设计光学镜负载质心位于球面机构球心处,结构更加紧凑,可以提高机构固有频率,并且能够降低负载运动转动惯量。提出的新型空间光学镜并联指向机构具有良好的综合性能,研究为高精度并联光学指向机构的应用提供了理论基础。     

一种新型冗余驱动并联二维指向机构的研究

以球面5R机构为原型,通过添加冗余驱动支链的方法,得到了一种新型高精度、高承载和大工作空间的冗余驱动并联二维指向机构。以消除机构内部奇异、增大机构工作空间为目标,针对具有特定驱动螺旋的冗余驱动支链进行综合;通过对比各分支,筛选出了一种结构简单、精度高、承载能力强的分支,构成了新型冗余驱动并联二维指向机构,并对该机构的位置反解、雅可比矩阵及其奇异性进行了分析;针对机构工作空间、灵巧性和承载力等性能,绘制了机构的性能图谱;基于机构性能的均值指标和方差指标对机构进行了尺寸参数的优化设计,得到了一种性能优异的冗余驱动并联二维指向机构并制作了样机,为跟踪指向领域提供了一种高品质的机构。     

RR&P5R型全球面工作空间解耦并联机构研究与优化

具有大球面及完整球面工作空间的球面并联机构是大角域工作空间应用领域研究的重要方向之一。针对当前球面并联机构存在工作空间不足的问题,基于双摇杆机构输入与输出差异化的特性,提出了一种新型2自由度全球面解耦并联机构构型思想,设计了一种RR&P5R型2自由度全球面工作空间解耦并联机构;通过运动学分析,建立了该机构的运动学方程,给出了机构的位置、速度和加速度的表达式;以支链最小输入量q2为优化目标,对机构进行了结构尺寸优化;对RR&P5R型和RR&PRR型球面解耦并联机构进行了性能对比。结果表明,RR&P5R型具有更好的工作性能。研究结果将为大角域球面工作空间需求领域提供重要的理论依据。     

一种支链含Pa副的新型2T1R并联机器人的运动学分析与多目标性能优化研究

以并联机构2T1R作为研究对象,基于并联机构拓扑结构设计理论综合出一类支链含Pa平行四边形机构的2T1R并联机构,并优选出两种新型2PRPaR-PPaR与2RRPaR-PPaR并联机构,以2PRPaR-PPaR并联机构为例,利用方位特征集拓扑结构理论计算机构的方位特征集、自由度、耦合度等拓扑特性,根据建立的特征方程并得到机构的运动学逆解解析式。基于此,分别对机构的工作空间、灵巧度、转动能力等性能指标可视化分析,并通过图形化对比分析机构参数对这些性能指标的影响,最后建立工作空间和全局灵巧度多目标优化模型,选择快速非支配多目标优化算法（NSGA-Ⅱ）实现机构尺度综合,结果表明：2PRPaR-PPaR机构具有工作空间较大、灵巧度较好、转动能力高等优良特性,优化出一组不同姿态角下的对工作空间和全局灵巧度的多目标pareto优化解。     

二自由度球面运动并联机构位置及速度分析

设计了一种二自由度球面运动并联机构,具有三个支链,其中两个为主动支链,一个为被动支链,机构结构为非对称形式.对机构进行了位置和速度分析,为机构的控制提供了理论基础.机构已成功用于汽车变速器试验台自动换档机械手,拓宽了少自由度并联机构的应用领域.     

一种新型三平移并联机器人的运动学与灵巧度分析

以少自由度并联机构作为研究对象,设计一种新型空间三平移并联机器人机构,根据方位特征方程理论计算机构的自由度、耦合度、方位特征集等特性.通过杆长约束条件建立运动学方程模型,推导机构的正逆解解析式,基于此,研究机构的操作空间与运动灵巧性等性能指标,同时分析结构参数尺寸跟操作空间与全局灵巧度的关系,建立全局灵巧度与可达工作空间的多目标优化模型,基于Pareto解的多目标粒子群算法实现多目标参数优化,结果表明:机构耦合度低、具有正解解析式、操作空间大、运动灵巧性较好,优化后的参数解析为并联机构的应用设计提供参考依据.     

基于性能图谱的2自由度RR&PRR解耦球面并联机构承载能力研究

2自由度解耦球面并联机构动平台通过两条支链与静平台连接,第1条支链由两个转动副(R)组成,第2条支链由1个移动副(P)、2个转动副(R)组成。在机构设计无量纲法建立2自由度解耦球面并联机构空间模型的基础上,对该机构的承载能力性能指标进行系统的分析,提出了应用性能指标均值及其波动情况描述机构承载能力性能的新方法,以等值线的形式绘制了该机构的承载能力性能图谱。     

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.     

双支链六自由度并联机构尺度设计与性能分析

提出了一种新型六自由度并联机构,该机构由两条运动支链组成,每条支链各包含一个主动球副。与常规六自由度并联机构相比,支链数目的减少可有效增大机构工作空间。基于封闭矢量法求得所提机构的运动学位置逆解,在此基础上分析了机构输入与输出的速度映射关系,建立了机构雅可比矩阵。以工作空间和全域灵巧度为性能评价指标,借助性能图谱法完成了机构尺度设计,基于该尺度参数,对特定工作姿态下的工作空间、灵巧度、承载性能及刚度性能进行了全面研究。最后,搭建了3D打印样机,并对其典型应用场景进行了分析。     

基于螺旋理论的3-RPS型并联机器人运动学分析

3-RPS型并联机构具有三个结构对称的支链形式,各支链由一个转动副连接机座、一个球面副与动平台相连接,转动副与球面副由移动副所连接。采用螺旋理论及空间机构构型原理,通过约束形式分析得出该类型并联机器人运动性质,采用矢量分析方法对其运动学正解/反解进行求解,得出该并联机构运动学方程。基于对称非齐次性少自由度并联机构Jacobine矩阵,进一步对该类型并联机器人结构奇异性进行分析与总结。     

六足步行机器人的并联机械腿设计

将并联机构用于六足步行机器人的腿部结构,以拓展六足步行机器人的应用领域.提出了一种基于(U+UPR)P+ UPS机构的并联机械腿,并对机械腿进行了结构参数设计.首先,对腿部机构进行了运动学分析,推导出了腿部机构的位置反解方程和速度传递方程;分析了腿部机构的工作空间并绘制了工作空间三维图,定义了工作空间性能评价指标,绘制了结构参数与工作空间性能指标的关系曲线.然后,对腿部机构进行了运动灵活性分析并绘制了雅克比矩阵条件数分布图,定义了运动灵活性评价指标,绘制了结构参数与运动灵活性指标的关系曲线.最后,基于工作空间性能指标和运动灵活性指标,采用蒙特卡罗法进行了结构参数分析,选取了一组性能较好的结构参数并考虑加工和装配工艺性,设计了一种新型3自由度并联机械腿的虚拟样机,为六足步行机器人的进一步研究奠定了基础.     

Singularity loci of an orthogonal spherical two-degree-of-freedom parallel mechanism

Singularity analysis plays an important role in the design of robots, especially for parallel robots. In this paper, the direct and inverse kinematics of an orthogonal spherical two-degree-of-freedom parallel mechanism is proposed based on the modified Euler angles. All the singular poses of the mechanism are achieved through the direct kinematic analysis. Self-motions, which are different from the general spherical 5R parallel mechanisms, are also discussed. Singularity loci in the joint space and Cartesian space are plotted according to the Jacobin of the mechanism. Result shows that the singularity loci at the joint space are two circles and one line, whereas at the Cartesian space are a circle.     

采用过约束冗余驱动提高球面并联机构精度容错能力的研究

将误差源对球面并联机构运动精度的不利影响看作一种机械系统故障,提出了球面并联机构精度容错的概念和基本思想,定义了描述球面并联机构精度容错能力的指标———精度容错度。基于螺旋理论,利用球面3-RRR并联机构的过约束性设计了具有冗余驱动的球面m-RRR(m≥4)型改进机构。通过求解原机构和改进机构的精度容错度,比较了它们的精度容错能力,并结合实例进行了仿真研究,结果表明所提出的以精度容错度为依据的精度容错策略能有效提高球面并联机构的精度,克服误差源的不良影响。     

Compact high-aperture interferometer with a diffractive reference wave for high-precision referenceless aberration measurements of optical elements and systems

We present the optical layout and actual design of a compact high-aperture referenceless point diffraction interferometer with a diffraction reference wave. The basic concept of this interferometer is based on a single-mode optical fibre with a subwave output aperture, which is used as a source of spherical reference waves. The interferometer is designed for high-precision measurements of the surface shape and aberrations of optical elements. It makes use of a diffraction reference wave and is developed for mass industrial applications. The proposed design does not require the involvement of special external conditions, and reduces the need for calibrated reference surfaces. We evaluate the performance of our interferometer for highprecision measurements and demonstrate its use by presenting results obtained from measuring the shapes of spherical references from various manufacturers and the aberration of a five lens objective.     

Singularity loci of an orthogonal spherical two-degree-of-freedom parallel mechanism

Singularity analysis plays an important role in the design of robots, especially for parallel robots. In this paper, the direct and inverse kinematics of an orthogonal spherical two-degree-of-freedom parallel mechanism is proposed based on the modified Euler angles. All the singular poses of the mechanism are achieved through the direct kinematic analysis. Self-motions, which are different from the general spherical 5R parallel mechanisms, are also discussed. Singularity loci in the joint space and Cartesian space are plotted according to the Jacobin of the mechanism. Result shows that the singularity loci at the joint space are two circles and one line, whereas at the Cartesian space are a circle.     

Gait Analysis of a Radial Symmetrical Hexapod Robot Based on Parallel Mechanisms

Most gait studies of multi-legged robots in past neglected the dexterity of robot body and the relationship between stride length and body height.This paper investigates the performance of a radial symmetrical hexapod robot based on the dexterity of parallel mechanism.Assuming the constraints between the supporting feet and the ground with hinges,the supporting legs and the hexapod body are taken as a parallel mechanism,and each swing leg is regarded as a serial manipulator.The hexapod robot can be considered as a series of hybrid serial-parallel mechanisms while walking on the ground.Locomotion performance can be got by analyzing these equivalent mechanisms.The kinematics of the whole robotic system is established,and the influence of foothold position on the workspace of robot body is analyzed.A new method to calculate the stride length of multi-legged robots is proposed by analyzing the relationship between the workspaces of two adjacent equivalent parallel mechanisms in one gait cycle.Referring to service region and service sphere,weight service sphere and weight service region are put forward to evaluate the dexterity of robot body.The dexterity of single point in workspace and the dexterity distribution in vertical and horizontal projection plane are demonstrated.Simulation shows when the foothold offset goes up to 174 mm,the dexterity of robot body achieves its maximum value 0.164 4 in mixed gait.The proposed methods based on parallel mechanisms can be used to calculate the stride length and the dexterity of multi-legged robot,and provide new approach to determine the stride length,body height,footholds in gait planning of multi-legged robot.     

Design of a novel side-mounted leg mechanism with high flexibility for a multi-mission quadruped earth rover BJTUBOT

Earth rover is a class of emerging wheeled-leg robots for nature exploration. At present, few methods for these robots’ leg design utilize a side-mounted spatial parallel mechanism. Thus, this paper presents a complete design process of a novel 5-degree-of-freedom (5-DOF) hybrid leg mechanism for our quadruped earth rover BJTUBOT. First, a general approach is proposed for constructing the novel leg mechanism. Subsequently, by evaluating the basic locomotion task (LT) of the rover based on screw theory, we determine the desired motion characteristic of the side-mounted leg and carry out its two feasible configurations. With regard to the synthesis method of the parallel mechanism, a family of concise hybrid leg mechanisms using the 6-DOF limbs and an L_1F1C limb (which can provide a constraint force and a couple) is designed. In verifying the motion characteristics of this kind of leg, we select a typical (3-UPRU&RRRR)&R mechanism and then analyze its kinematic model, singularities, velocity mapping, workspace, dexterity, statics, and kinetostatic performance. Furthermore, the virtual quadruped rover equipped with this innovative leg mechanism is built. Various basic and specific LTs of the rover are demonstrated by simulation, which indicates that the flexibility of the legs can help the rover achieve multitasking.     

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。     

微装配正交精确对准系统的设计

针对平板类零件微装配系统设计过程中面临的问题,提出采用正交光学对准机构来实现用人机协同的微装配系统对微小型平板类结构件的高精度装配,并分析计算高精度对准机构模块产生的误差.建立了基于显微机器视觉及正交光学对准的微装配系统平台,用本文提出的方法进行了微装配实验,结果显示本装配系统在装配的一致性与装配效率方面有较大的改善与提高.提出的光学对准方法可有效地用于平板结构的硅微MEMS器件和非硅MEMS器件等集成的复杂微小型异构机电系统的装配,设计的平台具有很好的开放性和可移植性.棱镜正交对准机构产生0.001°的角度误差时,对准理论偏差小于0.98 μm,实际实验中微装配平台系统装配精度小于5μm,满足平板类微小型结构件装配一般精度需求.