3-PPSR并联微动机器人静刚度分析

为简化6支链并联微动机器人的复杂结构,减小装配误差,提出压电陶瓷驱动的3-PPSR构型6自由度并联微动机器人结构.采用整体式下平台和三条两端带有柔性球铰链和直圆柔性铰链的支杆,使结构紧凑并有利于提高精度.为分析对并联微动机器人精度具有重要影响的静刚度指标,首先求出此类机器人的逆解矩阵及支杆柔性铰链处微小角位移和末端位姿的关系.在此基础上,考虑支杆两端柔性铰链和弹性平板的弹性变形,运用虚功原理推导并联微动机器人静刚度矩阵.进而仿真分析机构各几何参数对静刚度的影响,获得支杆两端铰接点半径及直角弹性平板和支杆两端柔性铰链尺寸对刚度的影响规律,为此类并联微动机器人刚度配置和机构优化设计提供理论依据.     

三支链六自由度并联柔性铰微动机器人的研究

提出了一种过程中采用的新型三支链六自由度并联微动机器人结构。采用两端分别带有柔性球铰和柔性旋转铰的支杆以简化结构,整体加工包含三个二自由度单元的基平台来有效减小装配误差,并用压电陶瓷驱动弹性平板获得高分辨率高精度。根据运动影响系数理论对其运动学进行分析,求出了其平动台、支杆和柔性铰链的速度表达式。考虑柔性铰链的弹性变形,基于虚功原理建立了其刚度模型。 分析了此类并联微动机器人的设计目标和柔性铰链设计原则,采用模块化精密定位控制器设计了控制系统。实验结果表明,所设计的微动机器人可达到纳米级精度, 简化了六支链六自由度并联微动机器人的复杂结构,减小了装配误差。     

3-PRR微动操作机器人刚度及工作空间分析

微动操作机器人在精密制造、生物技术和微创医疗等领域中发挥着日益重要的作用。本文对3-PRR微动操作机器人进行了研究,考虑柔性铰链在非功能方向上的变形,利用齐次变换矩阵和材料力学方法,建立3-PRR微动操作机器人输入力和输出位移之间的关系,求出了其刚度矩阵,并在此基础上研究了该微动操作操作机器人的工作空间。最后通过有限元分析,证明本文提出的方法的有效性,为类似的微动操作机器人分析提供了简便精确的方法。     

新型3-RPC柔性精密平台的刚度与动力学分析

提出了一种新型空间柔性并联精密平台,该平台采用压电陶瓷驱动方式,通过单自由度柔性铰链的弹性变形实现末端执行件3个方向的运动;采用柔度矩阵变换法,建立了该柔性精密平台的刚度模型,并用有限元方法对刚度模型进行了验证。在此基础上,讨论了柔性铰链结构参数对平台刚度的影响规律;采用拉格朗日法建立该平台的动力学方程,利用有限元对其进行了模态分析,讨论了3组不同柔性转动副结构参数对微动机构自然频率的影响。     

六自由度并联柔性铰链微动平台的研究

为获得具有运动解耦性的并联2-2-2结构的6自由度微动平台,首先以并联6-PUS 3维平台为原型,用柔性铰链替代球铰,用柔性框架替代直线移动副,设计了并联2-2-2结构的6自由度微操作平台。其次,建立了该微操作平台的位置正反解方程;然后,建立了柔性铰链的刚度模型,以各种强度条件为约束,并利用有限元分析校核了其中的柔性铰链。上述分析证明了该机构的可行性及运动解耦性。     

全柔性并联机器人支链静刚度矩阵的建立

设计了一种新型非对称全柔性3-RRRP平移微动并联机器人机构。在柔性铰链静刚度矩阵及柔性移动副静刚度矩阵的基础上,先建立该微动机器人机构单个支链的一般模型,利用坐标矩阵变换（D—H矩阵变换）的方法,推导出一般支链静刚度矩阵求解的理论过程,进而求得该支链端部的静刚度矩阵。最后,通过理论计算-简单模型,并用ANSYS对理论计算结果进行模拟。模拟结果显示,理论计算的静刚度矩阵与模拟结果很相近,说明一般支链静刚度矩阵理论推导过程具有一定的准确性。     

并联微动机构的柔性设计

由于并联微动机构应用在特殊场合,故对其定位精度提出了极高的要求.运动副的间隙和摩擦是影响机构精度的主要因素,提出了采用无间隙、无摩擦的柔性铰链作为微动机构的运动副.通过分析柔性铰链结构尺寸与性能的关系,合理选择了铰链材料和几何尺寸.并以带柔性铰链的Stewart六自由度平台为设计实例,证明了柔性铰链在微动机构中的应用是成功的.     

3-RRR平面并联微动机器人的运动学分析

运动学分析是并联机器人机构分析中的首要问题,是进行机构动力学分析、精度分析的基础,而全柔性微动机器人机构的首要目标就是精确实现所需的运动。因此对其运动学的研究在机构学领域占有重要的地位。本文对平面并联微动机器人进行了建立伪刚性模型,采用闭环矢量原理建立理论运动学线性模型,得到理论Jacobian矩阵,其次对该机构进行实验分析,得到工作平台的实验输出位移和方位角(Jacobian矩阵);然后用ANSYS软件对其进行有限元分析,得到有限元运动学模型(Jacobian矩阵值),最后通过分析比较该机构的理论运动学方程、实验运动学方程和有限元运动学方程,得到输出平台适用的运动学方程。     

三自由度平面并联微动机器人运动学模型及工作空间分析

运动学分析是并联机器人机构分析中的首要问题,是进行机构动力学分析、精度分析的基础,而全柔性微动机器人机构的首要目标就是精确实现所需的运动。介绍了平面并联微动机器人伪刚性模型的建立方法,并采用闭环矢量原理建立理论运动学线性模型,得到理论Jacobian矩阵,其次对该机构进行实验分析,得到工作平台的实验输出位移和方位角(Jacobian矩阵);然后用ANSYS软件对其进行有限元分析,得到有限元运动学模型(Jacobian矩阵值),最后通过MATLAB7.1软件对该机构的三种运动学模型进行工作空间分析,并进行误差分析,得到输出平台适用的运动学方程。     

基于柔性铰链的二维微动平台特性研究

文中对所设计的基于柔性铰链的微动平台进行了静态刚度、弱截面处最大应力和固有频率的分析.用有限元法进行了平台的建模,仿真得出平台的静态刚度值和最大应力值与计算结果分另q相差2.5%和3.1%.在实验中测试了平台的静态刚度和固有频率,也得到了理想的结果.由此可见,通过公式分析微动平台的特性具有可行性,为微动平台的特性研究提供了一种参考.     

Derivation of dual forces in robot manipulators

According to the principle of transference, a compact three-dimensional representation of a rigid body kinematics is obtained by substituting dual for real numbers. This representation has recently been applied to robotics where in addition to its compactness, it allows to constitute the Jacobian matrix explicitly from the product of the dual transformation matrices with no additional computation.This paper introduces the generalized Jacobian matrix. This matrix consists of the complete dual transformation matrices as opposed to the regular Jacobian matrix which consists of specific columns only. The generalized Jacobian matrix relates force and moment at the end-effector to force and moment in all directions, at the joints. It is therefore possible to use the dual transformation matrices to derive, with no additional computation, the full force and moment vector at the robot's joints. Furthermore, the generalized Jacobian matrix also relates motion in all directions at the joints to the motion of the end-effector, an essential relation required at the design stage of robot manipulators (in particular, flexible ones). An extension of these kinematics and statics schemes into dynamics is possible by applying the dual inertia operator as is shown by an example of a three degrees-of-freedom robot.     

弹性铰平面闭环六杆机构刚度特性研究

为研究弹性铰平面闭环六杆机构的刚度特性,运用影响系数法求解了闭环机构的Joeabian矩阵和Hessian矩阵,借助虚功原理同时考虑主动、被动铰链弹性变形,建立了机构约束方程,推导出机构的刚度矩阵。结合刚度矩阵的瑞利商定义了刚度判定指标K,绘制出刚度性能空间图,进一步研究了操作端方向的刚度特性。     

求解3-RPS并联机构刚度的新方法

对于少自由度机构来说,由于结构约束的存在,机构中出现了约束反力,约束反力会在机构中产生变形,影响整个机构的精度,在机构分析中必须加以考虑。基于此,以传统的3-RPS并联机构为例,给出考虑约束反力产生变形的刚度模型的建立方法。首先,用观察法分析该机构中存在的约束反力。其次,建立该机构的6×6形式雅可比矩阵,并运用虚功原理建立该机构的静力学模型。最后,分析机构在驱动力和约束力共同作用下产生的弹性变形。在约束反力产生的变形方向上虚设P副,将3-RPS机构的变形和刚度分析转化为一个等效的无约束反力的6自由度并联机构3-RPPS的变形和刚度分析。这种方法给少自由度机构的研究提供了一些新观点。     

空间并联机构连续刚度非线性映射

基于影响系数法并借助虚功原理建立包含主、被动关节弹性变形,杆件及其平台自重的空间并联机构连续刚度非线性映射通用模型。空间并联机构连续刚度非线性映射通用模型与以往刚度模型区别在于,它不仅考虑了机构主动驱动关节、被动关节弹性变形及各部件重力对机构刚度的影响,而且考虑了机构刚度变化的连续过程,没有忽略机构在广义外力下变形时雅可比矩阵的变化,通过引进机构的二阶影响系数,从而使空间并联机构刚度非线性映射还原。从机构简化约束方程出发,推导空间并联机构几类连续刚度简化映射矩阵。在此基础上,结合刚度矩阵瑞利商定义了空间并联机构连续刚度性能判定指标k。最后给出一空间并联机构刚度分析实例,分别计算两种模型下的刚度矩阵,并对比两种模型下机构刚度性能。     

基于气动柔性驱动器的三自由度手指指端输出力特牲研究

三自由度手指由3个气动柔性弯曲关节串联而成,弯曲关节由气动柔性驱动器 ( FPA)驱动。关节驱动力矩的大小取决于各个关节FPA内腔中的压缩气体压力的大小。推导了手指运动学方程及力雅可比矩阵,分析了手指指端受力状况,建立了指端输出力与各个内腔气体压力增值之间的映射关系。对手指指端输出力进行了仿真研究和实验研究,实验结果与力模型结果基本吻合。     

刚性悬挂四轮车辆静力学解算与均载性分析

为研究刚性悬挂四轮车辆的均载特性,联立四轮车辆的静力平衡方程和变形协调方程,解算了各分支悬挂的承载力,计算得到了各分支悬挂的承载力和轮胎刚度的映射关系。在此基础之上,定义了不均衡载荷系数,分析得到了轮胎刚度变化及载运偏载量对车辆均载性能的影响规律。通过实验方法得到了轮胎的刚度数据,并对力学解算和均载性分析进行了验证。     

3自由度柔性微机器人的静刚度分析

柔性微机器人要求具有很高的定位精度，而其静刚度在很大程度上决定着这一指标。针对目前对柔性微机器人静刚度分析中存在的不足，采用了结构分析中的柔度矩阵法：首先建立起机构中柔性单元的柔度模型，同时通过不同坐标系间的转换和单元节点处位移协调方程和力平衡方程的建立，递推出机器人末端相对参考坐标系下的静刚度矩阵。最后，以3自由度并联柔性微机器人为实例分析了该机器人的静刚度。分析表明：利用柔度矩阵法分析柔性微机器人运动学问题不仅便于计算，更接近柔性机构的本质。     

3/6-SPS 并联机构刚度和弹性变形的解析法分析

针对并联机构中机构的刚度和弹性变形随外载荷变化的问题,以3/6-SPS 并联机构为例,采用解析法求解分析其总刚度矩阵和弹性变形。首先,分析该并联机构受力位置并确定驱动力及其姿态;然后,分析该机构的驱动约束分支的弹性变形,导出驱动约束分支的伴随矩阵;最后求解出该并联机构的总刚度矩阵和弹性变形。得到结论：当建立3/6-SPS 并联机构的总刚度矩阵和求解弹性变形时,必须理清刚度和位姿、广义六维力之间的关系。     

结构解耦6-PSS并联微操作平台的研究与开发

利用并联微操作机构的构型原理，提出了结构解耦6-PSS并联微操作平台新机构，描述了微操作平台的运动学模型、静刚度模型、一体化结构模型、几何误差模型和标定策略，研制了微操作平台样机，给出了其测试结果。研究表明，该并联微操作平台的结构解耦及一体化结构是成功开发的关键，为微操作平台机构构型和结构设计提供了新思路。     

Design and forward kinematics of the compliant micro-manipulator with lever mechanisms

This paper presents the forward kinematics of a five-bar compliant micro-manipulator. To overcome the limited displacement of such a flexure-based mechanism driven by piezoelectric actuators, lever mechanisms are utilized to enlarge the working range. The mechanical design of the micro-manipulator is firstly described. Mathematical formulations for the five-bar mechanism are described and the solutions are developed to decide the end-effector position in Cartesian space. The amplification factor of the lever mechanism is also derived based on the analytical solution of the four-bar linkages. The velocity of the end-effector is obtained by differentiating the forward position kinematic equation, and the local mobility index of the five-bar compliant mechanism is determined and analysed. Based on linearization of trigonometric functions and constant Jacobian matrix, numerical simulations are carried out to investigate the performance of the five-bar compliant manipulator and to determine the optimal geometric parameters for the configuration. The comparisons between the exact solution and simplified methodologies are conducted. Experiments are carried out to validate the established model and the performance of the developed micro-manipulator.