并联机构以保持构型通过奇异位置的方法

通过研究单输入参数作为自变量的并联机构构型曲线分岔特性,以及构型分岔曲线对输入参数扰动的响应,提出一种使并联机构以保持的构型通过奇异位置的扰动函数方法,并以半规则六边形Gough-Stewart并联机构为例,构造并联机构以保持的构型通过奇异位置的扰动函数.在扰动函数的作用下,并联机构以微小的误差到达奇异位置,并按原构型曲线返回.该方法解决了并联机构在奇异位置处运动不确定的问题,使并联机构能够在整体工作空间内给出确定的运动输出.     

3SPS-3PRS并联机构构型分岔特性

作为轴对称矢量喷管转向控制驱动机构的Gough-Stewart类并联机构,主要工作在奇异位置状态.在该位置,驱动平台能够获得一个绕其法线的自由转动,导致转向控制驱动机构的运动具有不确定性.为此,采用少自由度3SPS-3PRS并联机构限制该自由转动,通过对少自由度3SPS-3PRS并联机构的分岔特性研究发现,该并联机构存在尺度极限奇异位置,且输入参数的取值对由尺度极限奇异位置决定的并联机构的工作空间影响较大.对于给定的矢量状态要求,3SPS-3PRS并联机构的输入参数变化范围有可能超出由尺度极限奇异位置确定的工作空间,导致3PRS运动链产生较大的约束内应力,同时并联机构的工作空间跨越奇异位置使得动平台在通过奇异位置后的构型具有不确定性,因此该并联机构的运动奇异性问题依然存在.     

力作用下并联机构奇异点动态稳定性

采用分析动力学方法,将并联机构几何约束处理为约束力,得到无乘子二次项非耦合的质点系Lagrange动力学方程.该方程综合反映了质点系速度、输入参数速度、加速度,质点系重力及外载荷等对质点系动力学响应的作用机理.利用该方程对奇异位置处并联机构在自身重力作用下的动力学响应研究,发现在响应初期,并联机构各输入参数具有保持长度不变的特征,并联机构在奇异位置的运动不能被输入参数所控制,产生运动失控现象.采用Lyapunov稳定性理论对外力作用下奇异点动态稳定性进行研究表明,单纯或者联合改变外力大小或方向,难以获得满足稳定性要求的外载荷,不建议采用施加外力来提高奇异点动态稳定性.     

并联机构奇异构型运动稳定性与其动力学参数

以3-RPR并联机构为例,研究了动平台动力学参数对并联机构奇异构型运动稳定性影响。采用Lagrange方法,建立该机构显含自身动力学参数的无乘子二次项非耦合质点系动力学解析方程,基于Lyapunov第一近似稳定性理论,将奇异构型运动稳定性问题转化为一阶线性近似系统特征根问题。研究表明:当动平台绝对速度中心落在奇异构型获得的旋转自由度回转中心临近区域内,并联机构奇异构型运动稳定性较差;增大与动平台回转方向一致的角速度值及输入参数项取值,有利于提高动平台奇异构型的运动稳定性。该研究对于利用机构动力学参数,在设计与实际控制阶段,消除并联机构奇异运动,或提高并联机构奇异构型的运动稳定性,具有积极的理论价值。     

五自由度并联机床机构构型分析

针对目前的并联机构构型方法在构造一些五自由度并联机构的时候出现的问题,提出了运动矢量的概念,在此基础上提出一种新的构型方法.并使用该方法为五自由度并联机床构造了并联机构.在构造支链的时候,提出了"奇异机构"概念,并用它构造了一个复合运动副.实践证明,上述方法是有效且简洁方便的.     

Stewart并联机构运动失控性研究

为了确定机构在分岔点附近的运动行为,利用同伦法和静态分岔条件,构造了一种能够获得Stewart机构全部构型分支曲线及其分岔点的算法。基于提出的构型分岔分析和最大失控域概念,研究了分岔点附近的机构失控自由度。结果表明,增大输入参数的控制精度可以有效地提高机构在奇异位置附近的运动可控性。     

平面五杆机构的构型分岔与构型保持性研究

以平面五杆机构为例,研究了机构尺度与奇异构型之间的关系,提出了一种考虑机构尺度的机构奇异构型判别方法。分析了构型分岔的复杂性,给出了一重构型分岔和二重构型分岔的判定条件。利用非线性奇异性理论,采用普适开折方法对平面五杆机构在奇异位形附近的构型保持性进行了研究,分析了装配误差、负载等扰动因素对奇异点处构型保持性的影响。     

三个复杂基本运动链奇异性条件的求解与识别

提出了求解任意复杂多回路平面连杆机构及操作手奇异位置分析的模块法。即对组成复杂机构的数量有限的基本运动链进行奇异分析 ,推导出这些复杂基本运动链产生奇异位置构型的奇异性条件 ,然后将之看作是复杂机构和操作手奇异分析的基本模块 ;只要一个基本运动链达到奇异位置时 ,该复杂机构即处于奇异位置。在此基础上本文又推导出三个复杂基本运动链产生奇异位置构型的奇异性条件 ,从而扩展了用该方法求解复杂多回路平面连杆机构及操作手奇异位置的应用范围。     

基于空间几何的无伴随运动并联机构分析与综合

一移动两转动(1T2R)三自由度并联机构普遍存在的伴随运动对机构的运动精度及性能有不利影响,为得到一系列1T2R无伴随运动的并联机构,利用空间几何理论及螺旋理论对无伴随运动并联机构进行分析与综合.基于空间几何理论分析了无伴随运动并联机构的转轴条件,结合螺旋理论分析了该类机构动平台平面与约束螺旋的空间位置关系,将至少拥有1T2R自由度的支链分成4类,分析[R]-型支链在不同支链布局下的约束螺旋位置及转轴位置对伴随运动的影响,从而给出了1T2R无伴随运动并联机构的构型准则及结构条件,并通过构型综合得到了105种无伴随运动并联机构.对一种新型2RPU-RPRU无伴随运动并联机构进行了运动学分析,验证了该方法的正确性.     

基于运动限定机构的可重构并联机构设计

分析在特殊杆长条件下一种运动限定机构的运动特性。在不同的构型下,运动限定机构可以分别执行一个转动加一个平移运动、一个平移运动、一个转动运动。将运动限定机构与具有两个转动和两个移动运动的串联支链相结合,设计出一类具有可重构特性的混联支链。基于李群理论,得到了混联支链在不同构型下运动的群论表达式。利用三条同样的混联支链连接动平台和定平台,得到了一类新型可重构并联机构。当所有混联支链中的运动限定机构处于奇异位置时,可重构并联机构具有瞬时的6自由度。通过控制运动限定机构运行至不同的构型,可重构并联机构能切换至不同的自由度模式,可以执行四种不同特性的3自由度运动。     

并联机构的运动伪奇异分析

为解决并联机构的动平台在绕动坐标系的第二根动轴的转角为0°或90°时是否奇异的问题,分析了并联机构的运动伪奇异。结合Stewart交叉杆并联机构,在并联机构的动平台绕动坐标系第二根动轴的转角为零的条件下,介绍了由z-y-z型欧拉角产生的并联机构的运动伪奇异,在此基础上,分别从绕动轴的转角和动轴重合方面,分析了运动伪奇异的原因及伪奇异的位置,提出产生伪奇异的原因是用绕三根动轴的转角描述动平台参数的微分,退化为用绕两根动轴的转角描述动平台参数的微分。12种欧拉角首末动轴重合的位置,是并联机构的运动伪奇异的位置。     

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.     

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。     

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.     

基于构件关系拓扑图论的机构自由度和奇异分析

在分析机构图论现状的前提下,对机构中常用运动副、机构运动基本单元的移动基和转动基的空间活动能力进行描述定义,基于机构由构件通过关节连接而成的事实,提出一种新的构件关系拓扑图论描述方法.该方法以构件框、约束构件框、构件关系线、约束构件关系线、相邻构件空间相对活动能力关系为要素,对串联机构、并联机构、混联机构进行新的图论描述.基于支链空间活动能力维度和机构空间活动能力维度定义,以实例形式给出混联机构自由度的分析方法,并得到机构非奇异的充要条件,在此基础上推出机构出现奇异的充要条件,引入机构运动支链输入基位置极限的同时/同化、同时/非同化、独自出现位置极限的三分法,得到给定混联机构出现位置奇异、姿态奇异、位置和姿态奇异的情形数,并给出了一般形式的串联、并联、混联机构的奇异组合和情形数的分析途径.     

一种无汇交轴线对称三转动并联机构的运动分析

传统的三自由度转动并联机构（又称球面并联机构）一般都有一个转动中心,且这个中心点往往是分支间多个运动副轴线的汇交点,这种严格的几何条件给机构的加工制造带来很大的难度,制约了这类机构的应用。针对此,提出了一种无汇交轴线的对称三转动并联机构,其三个分支对称布置,分支内及分支间均无汇交轴线。对机构进行了位置反解,得到了机构四种对称的装配构型;从分支运动奇异、平台约束奇异和驱动奇异三个方面对机构进行了奇异分析;最后给定了一组尺寸参数,采用数值搜索的方法得到了机构的姿态工作空间。通过结果可以看出,该机构可以实现三维转动,具有较大的姿态工作空间,而且制造装配相对容易,具有很好的应用前景。     

含4R回路并联机构奇异位置分析

并联机构引进等效4R回路,能有效地改善机构的运动学和动力学性能,同时也会导致奇异位置的改变。运用螺旋理论分析4R机构的奇异位置;在3-PRS并联机构中引进4R回路构成新型3-P(4R)RS并联机构,建立机构力雅可比矩阵,采用Jacobian代数法得到机构可能存在的驱动奇异、平台奇异和支链奇异位置。在此基础上探讨杆长关系对机构奇异位置的影响,并通过Pro/E建立3-P(4R)RS并联机构三维模型,完成其运动仿真,其结果验证了引进4R回路可有效避免机构部分奇异位置的结论。     

一类恒定雅可比矩阵移动并联机构的判定与综合

为得到雅可比矩阵恒定的移动并联机构,基于螺旋理论利用机构的主运动螺旋和传递力螺旋求解机构的雅可比矩阵,给出了移动并联机构在不同位置下雅可比矩阵保持恒定的判定条件。在此基础上,基于约束螺旋理论对具有该特性的分别包含三自由度、四自由度和五自由度分支的这类三自由度移动并联机构进行构型综合,构造并得到了多种雅可比矩阵恒定的移动并联机构。分析3-PPRU和3-CPU两种并联移动机构,由得到的机构在工作空间内不同位置下的输出速度、力变化曲线图可以看出在给定确定的输入情况下,机构的同一输出参数曲线在不同位置时相互重合,从而验证了该类型移动并联机构雅可比矩阵始终保持恒定。     

2-PRS-PRRU并联机构运动学与奇异分析

[PP]S类并联机构可实现1移动自由度和2转动自由度,具有广泛的应用前景。2-PRS-PRRU并联机构属于[PP]S类并联机构。运用螺旋理论分析2-PRS-PRRU并联机构的自由度特性,确定动平台的两条连续转轴。研究2-PRS-PRRU并联机构的伴随运动,证明该机构无伴随运动。建立该机构位置正/逆解模型,推导出位置正/逆解的解析表达式,进而求得该机构的雅可比矩阵。通过对雅可比矩阵的分析,确定机构的逆解奇异、正解奇异和混合奇异。2-PRS-PRRU并联机构具有确定的连续转轴和无伴随运动的特性,使其在实际应用中具有很大潜力。     

基于GF集的3T1R类并联机构构型研究

GF集是一种特殊的集合,用于对机构末端的运动特征进行描述.首先介绍GF集的基本概念和基于GF集的并联机构构型方法,而后提出了基于GF集的3T1R并联机构构型方法.根据该构型方法,得到可构成3T1R类并联机构的GF集的各种组成方式,并列举出具有确定运动特征的支链.最后,根据GF集的求交运算法则,构造了3T1R类并联机构.