五自由度3D打印并联机器人设计及分析

为实现多向3D打印,设计了一种新型五自由度3D打印并联机器人,该机器人具有两个转动自由度和三个平动自由度,其特点是采用铰接的动平台以获得大的工作空间。根据建立的运动学模型,计算了该机器人机构的运动学反解,分析了定姿态位置工作空间和定位置姿态工作空间,用螺旋理论方法建立了速度雅可比矩阵,在此基础上分析了五自由度3D打印并联机器人的奇异性、灵巧性,并进行了运动仿真分析。研究结果表明,所设计的五自由度3D打印并联机器人具有大的位置工作空间和姿态工作空间,该机器人在工作空间内存在奇异位置,通过添加冗余驱动后可以消除奇异位置,并且具有良好的灵巧性,适合多向3D打印。     

奇异接近度的评价方法

奇异是机构的常见特性.在并联机构的奇异点附近,动平台的力/力矩输出能力会明显降低.因此,判定工作空间内一点距离奇异的远近程度是并联机构设计的一个重要问题.针对这一问题,定义两种测度指标,分别用来度量位置奇异和姿态奇异的接近度,并用该指标定义拟奇异空间,该空间由所有接近奇异的点组成.当机构工作在拟奇异空间之外的任务空间,即可保证驱动关节力矩不超出驱动电动机的物理极限.最后以平面3-RRR机构为例,给出两种指标的计算方法和拟奇异空间以及任务空间的求解方法.     

一种新型3-RPR并联机构及其运动学分析

提出了一种能实现沿Y、Z轴平移和绕X轴转动的3-RPR型三自由度并联机构,运用螺旋理论分析了该并联机构实现二维平移和一维转动的机构学原理,计算了机构自由度,进行了驱动输入选取与论证,并进行了奇异分析,提出了减少奇异的参数设计条件,运用多体系统运动学理论建立了运动学模型,研究了运动学正反求解,并进行了数值仿真验证,最后分析了机构的工作空间。该并联机构是一种支链完全相同的半对称并联机构,结构较为简单,是对2T1R并联机构的重要补充,可应用于工业装配机器人、姿态调节器、并联机床、工作台等领域。     

一种零耦合度且运动解耦的新型3T1R并联操作手2-(RPa3R)3R的设计及其运动学

零耦合度(κ=0)及输入-输出运动解耦的三平移一转动(3T1R)并联机构,不仅运动学、动力学分析简单,而且运动控制与轨迹规划容易,因而在制造业中具有潜在的运用前景。根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑结构设计理论和方法,设计出一种零耦合度且部分运动解耦的新型3T1R并联操作手2-(RPa3R)3R,并对之进行拓扑特性分析,给出了其方位特征POC、自由度DOF、耦合度κ等主要拓扑特征;基于序单开链(SOC)的运动学建模原理,给出了该机构位置正解求解的封闭形代数方程,并求得其数值解;基于导出的机构位置反解公式,分析了机构产生三种奇异的几何条件;同时,求解了机构的工作空间和转动能力;给出了该操作手机械结构设计的三维CAD模型。研究成果为该操作手的运动尺寸优化、样机研发以及动力学研究奠定了理论基础。     

一平动两转动3-UPU并联机构奇异性分析

应用线几何工具和旋量理论分析了一平动两转动3-UPU并联机构的奇异形位。根据动平台的静力学平衡条件,推导出机构的6×6 Jacobian矩阵,该Jacobian矩阵也可看作6个线矢量的集合,基于这些线矢量的线性相关性,可识别出机构的奇异形位。引入线性丛逼近算法(LCAA)定义和分析了机构的结构和约束奇异形位,这两种奇异形位均和机构得到多余的自由度相关,文中统称为并联奇异;LCAA算法可得到用旋量坐标表示的最近线性丛的轴线和节距,当并联机构处于或接近奇异形位运动时,该线性丛的轴线和节距提供了机构自运动的额外信息。给出了3-UPU并联机构奇异性分析的实例。     

基于Jacobi矩阵3-PUU并联机构的奇异性研究

针对观察法无法确定少自由度并联机构的活动能力问题,对所研究的3 - PUU机构进行了运动学建模,求解了机构的速度Jacobi矩阵,采用代数法借助Jacobi矩阵的秩分析了机构的奇异性,绘制了详细的判别表格.研究表明,运动中机构的奇异性与z坐标的位置无关,考虑机构的具体尺寸、工作要求和安装位型,该3 - PUU机构在特定的工作空间内是不存在奇异的.     

一种远中心并联机构运动学与性能分析

由固定移动副驱动的并联机构具有刚度好、精度高等优点,适合应用于外科手术领域。微创穿刺活检等手术要求机器人可驱动手术器械绕远端固定点转动。提出了一种2PURR-PUR远中心并联机构,采用螺旋理论分析了机构的自由度,确定了其运动特性。机构可执行绕远端中心的两个转动运动和一个通过该中心的移动运动。建立机构的位置模型,得到了位置逆解表达式。通过速度分析建立了雅可比矩阵,并得到了机构的奇异位形。机构具有逆解奇异和正解奇异。分析机构的工作空间。基于运动/力传递性能方法,分析机构的性能指标,绘制工作空间内的性能分布图,对机构进行了尺度优化。提出的远中心机构可用于穿刺活检、近距离放射治疗、冷冻手术等单一微小创口的外科手术。     

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。     

并联机构运动分岔与稳定性分析

在奇异位置处,并联机构具有多个可能的运动趋势,使机构的运动不确定,从而导致并联机构运动失控.为了了解并联机构在奇异位置处的运动稳定性,本文根据并联机构在奇异位置附近的构型分岔特性,提出了一种判定机构构型失控的构型系数方法.该方法能够准确地判定机构的优先失控自由度,给出动平台各位姿分量的失控顺序,为机构的运动控制奠定了理论基础.     

双稳态平面并联机构

以提高多自由度并联机构的运动性能为目标,探索柔顺双稳态机构在克服并联机构力奇异问题中的应用。提出一种双稳态凸轮柔顺机构,利用双稳态机构在非稳态位形的非零内力,为并联机构提供柔顺过驱动输入,利用柔顺过驱动输入消除并联机构在运动奇异和力奇异位形时的运动或操作力不确定性。以平面五杆2-DOF并联机构为例进行了机构工作空间分析、运动奇异位形分析、以及力奇异位形分析。计算结果证明采用提出的双稳态凸轮柔顺机构能实现该平面2-DOF机构奇异位形的控制。     

基于大工作空间的三自由度并联机器人的机构研究

针对并联机器人工作空间相对较小的问题,采用菱形机构代替传统的串联支链,即运用虚拟轴代替实轴,减少并联机器人工作空间受杆长约束的范围,进而扩大机器人的工作空间,并且在z轴上具有较大的伸缩比。运用这个原理设计了一个大缩放比的三自由度并联机器人,并对该机器人进行了自由度、基本运动学和工作空间的分析。从分析结果可以看出,该机器人具有较大的工作空间。     

Dimensional Synthesis of a 3-DOF Parallel Manipulator with Full Circle Rotation

Parallel robots are widely used in the academic and industrial fields. In spite of the numerous achievements in the design and dimensional synthesis of the low-mobility parallel robots, few research ef...     

Kinematics and optimization of 2-DOF parallel manipulator with revolute actuators and a passive leg

In this paper, a 2-DOF planar parallel manipulator with two revolute actuators and one passive constraining leg. The kinematic analysis of the mechanism is analytically performed: the inverse and forward kinematics problems are solved in closed forms, the workspace is derived systematically, and the three kinds of singular configurations are found. The optimal design to determine the geometric parameters and the operating limits of the actuated legs is performed considering the kinematic manipulability and workspace size. These results of the paper show the effectiveness of the presented manipulator.     

Kinematics and dynamics analysis of the 3PUS-PRU parallel mechanism module designed for a novel 6-DOF gantry hybrid machine tool

A hybrid kinematic machine (HKM) tool with the respective advantages of serial and parallel mechanism is a significant direction for the innovation and development of current advanced sophisticated manufacturing equipment. This paper considers the configuration design, kinematics analysis and dynamics analysis of a 1-translational-3-rotational (1T3R) parallel manipulator, which acts as the main movement module of a novel 6-DOF reconfigurable HKM. The key parallel manipulator with 4 DOFs is composed of one middle PRU kinematic chain and three identical PUS kinematic chains. First, complete kinematics characteristics, including position, velocity, acceleration and jerk, are deeply analyzed by a vector analysis approach. Reachable position workspace and orientation workspace were derived through the workspace boundary search method. Furthermore, complete inverse dynamics model of the 3PUS-PRU parallel manipulator was formulated by virtue of the virtual work principle with considering the inertial and gravitational properties of struts. Finally, a driving power and energy consumption model of each actuated motor under the prescribed trajectory were obtained, resulting in the decouple contribution of each motion part correspondingly. This systematic and rigorous methodology aims at laying a solid theoretical and technical foundation for configuration design and performance analysis of this homologous type HKM.

     

3-PUU微动并联机构的尺寸型模型及性能图谱

为设计 3 PUU微动并联机构 ,使其获得良好的运动性能 ,提出用杆件无量纲参数建立机构尺寸型模型 ,该模型在有限区间内给出了 3 PUU微动机构所有可能的尺寸组合 ,模型空间中的任意一点代表具有相同或相似运动性能的同一族机构 ;定义反映微动机构运动性能的工作空间体积值、工作空间形状值及条件数 3种性能指标 ,在尺寸型模型中绘制一系列性能图谱 ,通过计算机仿真验证性能图谱的正确性 ,依据图谱提供优化设计机构的方法。     

新型万能直角坐标串并联机构

基于传统的单纯串联机构工作空间大、运动学正解简单的优点,考虑到单纯并联机构结构刚度大、承载能力强、运动学反解简单等特点,参考国际国内有关串并混联机构的研究成果,结合现实加工领域的需要,提出一种全新结构的直角坐标串并联机构。通过线性驱动,它可以实现机构上下层动平台之间的输出主轴空间6自由度运动。通过解析几何作图法,得知机构的工作空间形态为四棱柱或三棱柱,并给出了机构出现奇异时的奇异结构与工作空间形态。机构输出主轴处于空间任一位姿时,运用解析作图法取得输出主轴在三维空间的极限摆角范围,采用该方法还找到了机构运动学一般位置反解的几组可能解。进一步分析可知输出主轴平行于垂直导轨方向时有三组可行解,不平行时有五组可行解。     

3SPS+1PS髋关节并联仿生试验系统工作空间优化

为使人工髋关节试验系统具有仿生模拟人体髋关节运动特性的能力,不但要使其能模拟髋关节各种运动形式,而且其运动输出空间应完全覆盖实际人体髋关节的运动范围,这也使得对其运动空间进行深入分析成为必要。针对作为髋关节并联仿生试验系统核心运动模块的3SPS+1PS并联机构,利用四元数法建立其逆/正解运动学模型,基于动平台三点构造法构建了3SPS+1PS并联机构的量纲统一速度Jacobian矩阵,分别比较了该矩阵条件数在不同运动空间及结构参数下的取值变化情况,得到条件数平均值与机构定、动平台上球副中心连线长度比值、球副许用转角及动平台中心位置高度等参数之间关系,优化了机构结构参数,进而得到了运动性能良好的运动空间区域。髋关节并联仿生试验系统运动空间的研究对其运动路径规划、动态特性分析及控制系统设计具有重要的意义。     

Kinematics of a star-triangle planar parallel manipulator

This paper addresses kinematics of a 3 degree-of-freedom (DOF) planar parallel manipulator called Star-Triangle manipulator. The manipulator has good accuracy and a relatively large singularity-free workspace. First, position analysis of the manipulator is implemented indicating that both the inverse and forward position problems of the manipulator have only one solution. Then, velocity and singularity analyses of the manipulator are carried out and its isotropic configurations are identified using two Jacobian matrices. Based on the isotropic conditions, the workspace of manipulator is determined geometrically and it is shown that all points in the workspace are free of singularities. At last, kinematic accuracy of the manipulator is investigated on the workspace through a kinematic conditioning index (KCI).     

新型三自由度并联机器人奇异位形研究

针对一种新构型的3-RRRT并联机器人奇异位形进行了研究,提出了一种建立运动学模型与研究奇异位形的方法,利用并联机器人支链中支杆的方向余弦和动平台绝对位置坐标为系统广义坐标的方法,推导了机构运动学模型和计算奇异位形的条件方程,在此基础上,提出运用浮点遗传算法和拟牛顿法相结合的混合遗传算法在MATLAB上编制奇异位形仿真程序,得到3-RRRT并机器人奇异位形分布情况,此结论对3-RRRT并联机构的运动控制及轨迹规划有重要意义.     

三维平动球平台机器人的位置与工作空间分析

提出一种新颖的三维平动球平台机器人并分析其位置与工作空间问题。该新型机器人是DELTA机器人的一种变异形式，结合其结构布局特点，建立了其位置正反解方程式，分析其工作空间及其影响因素，为其设计和实用化提供理论依据。该新型机器人运动平台无过约束，在三雏平动微动机器人、并联机床和振动环境模拟台等领域有广阔的应用前景。