4-RR(RR)R并联机构的动力学性能指标分析

利用位置反解分析4-RR(RR)R并联机构的空间位形,并采用虚设机构法和影响系数矩阵法建立Jacobian和Hessian矩阵,将Hessian矩阵引入全域性能指标中,不同于以往仅采用Jacobian矩阵作为评价机构性能的指标,使得对机构的动力学性能评价更加全面.对全新的4-RR(RR)R4自由度并联机构进行速度、加速度和惯性力性能指标分析,给出三项指标的性能图谱.改变机构尺寸,搜索4-RR(RR)R并联机构在不同机构尺寸下的工作空间,在可达工作空间内讨论机构尺寸变化对机构性能的影响,重点讨论Jacobian矩阵和Hessian矩阵对机构加速度性能的影响程度.对比加速度偏差的具体数值,发现Hessian矩阵对机构的加速度性能有着更重要的影响.最后利用Matlab软件对机构进行模型仿真.     

6-TPS并联机构动力学分析

建立了6-TPS并联机构全部构件和关节与动平台速度加速度的解析关系。用凯恩法建立机构运动微分方程,该方程采用了机构输出速度作为独立变量,可作为动力学控制模型对机构进行完全闭环控制。利用矩阵范数导出了主动关节驱动力相对变化量与惯量矩阵以及加速度相对变化量之间的摄动关系,提出量化机构加速度性能和动力学优化的指标。通过实例得出机构加速度性能指标是以惯量矩阵在工作空间的奇异轨迹为极限的结论,这可以用来选取动力学性能优良的工作空间。     

平面2自由度驱动冗余并联机器人的性能分析

以一种平面2自由度驱动冗余并联机器人为研究对象,对该机器人机构尺寸进行量纲一化,给出反映机构几何参数变化范围的空间模型,建立机构的运动学方程,得到位置反解和速度雅可比矩阵。定义并计算机器人的全域性能指标,探讨机器人的雅可比矩阵条件数、承载能力及刚度等全域性能指标与机构杆件尺寸之间的关系,并在空间模型内绘制相应的性能图谱;根据性能图谱,总结三种性能指标在空间模型内的分布规律,分别给出每种性能指标值较好的机构尺寸范围;最后对三种性能指标较好的尺寸范围进行了综合,得到同时考虑三种性能指标优化的最佳尺寸范围。这些图谱使机器人依据运动学性能指标进行优化设计成为可能,图谱分析为实现并联机器人机构设计的计算机辅助设计提供了一种简单、有效途径。     

具有四角平台的3-RPC机构的动力学性能指标分析

利用位置反解分析3-RPC并联机构的空间位形,然后利用虚设机构法求出机构的影响系数矩阵,采用影响系数法和微分法分别求出机构的输入速度和输入加速度的仿真曲线,验证了影响系数矩阵的正确性.对全新的3-RPC 3自由度并联机构进行速度、加速度指标分析,给出两项指标的性能图谱.改变机构尺寸,搜索3-RPC并联机构在不同机构尺寸下的工作空间,在可达工作空间内讨论机构尺寸变化对机构性能的影响,重点讨论Jacobian矩阵和Hessian矩阵对机构加速度性能的影响程度.最后利用 Opengl软件对机构进行模型仿真.     

基于Isight平台DOE方法的并联机构多目标优化设计

以提高并联机构的整体性能为目的。以3-PUU并联机构为例,首先根据虚设机构法建立影响系数矩阵,包括雅可比矩阵和海塞矩阵,并通过Adams虚拟建模仿真验证影响系数矩阵的正确性,然后综合考虑工作空间、速度、加速度、惯性力等方面的需求建立并联机构的性能指标,根据性能指标多目标优化设计模型,最后基于Isight软件集成MATLAB,采用最优拉丁超立方法进行试验设计,通过NSGA-II算法进行多目标优化设计。优化结果表明,基于Isight的多目标优化设计方法不仅高效而且可以得到Pareto解集,决策者可以根据并联机构的具体服役环境权衡选择整体性能最优解。     

PRPAS/2-PUPR型并联机械腿性能指标分析及结构参数优化

为研究并联机械腿运动性能指标和结构参数之间的关系,以PRP_AS/2-PUPR并联机构为研究对象。根据步行机器人的工作任务确定机械腿的自由度,通过求解位置正逆解证明机械腿具有部分解耦性能,并通过蒙特卡洛法搜索出机械腿的工作空间。基于1阶影响系数矩阵和2阶影响系数矩阵得出机械腿的速度全域性能指标和加速度全域性能指标,并将结构参数数值化,得出较优的结构参数范围。最后,通过细化后的结构参数的性能指标,得出最优的机械腿结构参数。结果表明,性能指标可以对机械腿的结构参数进行精确优化。     

3-PRS并联机构的动力学惯量耦合特性分析

针对3-PRS并联机构动力学惯量耦合特性的问题,在关节空间中建立了机构的动力学模型,对机构主动支链之间存在的惯量耦合进行了研究。首先,给出了机构的运动学模型,针对动平台广义位姿、速度、加速度存在耦合的问题,分别通过约束方程、一阶影响系数矩阵、二阶影响系数矩阵,对其进行了解耦,并建立了各支链与动平台末端速度、加速度的映射关系,对机构运动学进行了仿真验证;其次,采用虚功原理建立了机构的动力学模型,并进行了仿真验证;然后,建立了机构在关节空间的动力学模型;最后,在机构的工作空间内,研究了惯量耦合特性评价指标随机构运动的分布规律。研究结果表明:在机构的工作空间内,在一定程度上,通过合理规划机构的运动范围,可以减小并联机构主动支链间的动力学惯量耦合强度。     

串联机器人加速度性能指标分析

以串联机构速度、加速度公式为出发点,通过理论推导提出一种同时基于机构一阶Jacobian影响系数矩阵和二阶Hessian影响矩阵的串联机构加速度性能度量指标,包括加速度性能指标、线加速度性能指标和角加速度性能指标。采用GOSSELIN提出的机构全域性能指标定义方法定义串联机构加速度全域性能指标、线加速度全域性能指标以及角加速度全域性能指标。最后,采用上述指标对串联工业机器人PUMA260机构进行实例分析,给出相应的性能图谱。结果表明,Hessian矩阵对机构加速度性能指标有着更重要的影响,度量指标在机构动力学性能分析中是可行的。     

基于单开链单元的2T-2R并联机构正运动学分析

提出了空间并联机构正运动学速度、加速度分析的一种新方法———序单开链(SOC)法。该方法依据机构的拓扑结构特征,采用相同的序单开链分解线路,建立了与机构位置分析模型相统一的机构速度、加速度分析模型,得到了维数恰等于机构耦合度的并联机构速度、加速度方程。以一种2T-2R并联机构为实例,给出了其速度、加速度分析。     

自动倾斜器不旋转环操纵机构等效并联机构尺寸优化分析

对直升机自动倾斜器不旋转环操纵机构的等效并联机构——1-RRS-3-SPS-1-PS机构进行机构位形分析,利用虚设机构法求出机构的影响系数矩阵,采用影响系数法和微分法分别求出机构的输入速度和输入加速度仿真曲线,验证了影响系数矩阵的正确性。同时利用速度、加速度和惯性力等全域性能指标,在同时考虑到机构杆件的尺寸、质量等因素情况下,分析1-RRS-3-SPS-1-PS机构的动力学性能,绘出上述指标的性能图谱,得到该杆件尺寸和动力学性能的关系变化趋势,同时也得到了所讨论的机构范围内性能较好的机构尺寸。利用Matlab软件对机构进行实体仿真,验证了速度、加速度和惯性力全域性能指标理论的正确性和可行性。     

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。     

一种可用于微创手术的并联机构运动学分析与性能优化

与串联机构相比,并联机构具有刚度好,精度高,响应快等优点,适合用于医疗领域。微创穿刺活检等手术要求机器人机构能够输出远中心运动。提出了一种用于微创手术的新型远中心并联机构,其分支内部包含平行四边形闭环子链。采用螺旋理论对机构自由度进行了分析,证明其能输出两个转动运动和一个移动运动,且所有运动均通过远端固定中心。对机构进行位置分析,建立了驱动参数与末端参数之间的映射。通过速度分析建立了雅可比矩阵,并分析得到了机构的奇异位形,包括逆解奇异、正解奇异和混合奇异。应用搜索法分析了机构的工作空间。采用运动/力传递指标对机构进行了性能分析,绘制工作空间内的性能图谱。以优质空间大小为目标对机构进行了尺度优化。     

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。     

一种8自由度空间机械臂运动学及工作空间分析

针对太空环境,提出一种带有移动副的8自由度机械臂,可完成太空环境中的设备维修、物品抓取等工作。通过标准D-H参数法,推导了8自由度机械臂的位姿变换矩阵和正运动学方程;利用MatlabRobotics工具箱,建立机械臂的仿真模型,将仿真模型与机械臂运动学方程进行对比验证;采用蒙特卡罗法对机械臂工作空间进行求解,绘制了机械臂末端执行器的工作空间点云图;通过Matlab对机械臂进行轨迹规划仿真研究,绘制运动过程中各关节的位移、速度、加速度变化曲线,验证了机械臂结构设计的合理性,为后续的研究工作提供参考依据。     

一种3-2-1正交布置的6自由度并联微动机器人分析

对一种 3 2 1正交布置的 6自由度并联微动机器人进行了分析。给出这种特殊构型并联微动机构的位置正解和逆解的显示方程 ,同时给出了该并联微动机构的力雅克比矩阵和速度雅克比矩阵 ,对速度和力传递的各向同性指标进行了分析。指出该并联微动机构可以产生 2种相互解耦的复合运动 ,一种是 3 DOF的Z tilts运动 ,另外一种是其相应的 3 DOF平面一般运动。     

Kinematics of a five-degrees-of-freedom parallel manipulator using screw theory

In this work, the kinematic analysis of a five-degrees-of-freedom decoupled parallel manipulator is approached by means of the theory of screws. The architecture of the parallel manipulator under study is such that the translational motion of the moving platform, with respect to the fixed platform, is controlled by means of a central limb provided with two active prismatic joints while its rotational motion is controlled by means of a three-degrees-of-freedom spherical parallel manipulator. The forward position analysis is presented in semiclosed form solution applying recursively the Sylvester dialytic elimination method. On the other hand, the velocity and acceleration analyses are carried out using the theory of screws. Simple and compact expressions to compute the velocity state and the reduced acceleration state of the moving platform, with respect to the fixed platform, are easily derived in this contribution by taking advantage of the Klein form of the Lie algebra se(3). Finally, only few and slight modifications to the proposed method of kinematic analyses are required in order to approach the position, velocity, and acceleration analyses of parallel manipulators with similar topologies.     

多输出3D打印冗余并联机器人的设计与分析

设计了一种新型多输出3D打印机器人,该机器人机构以Delta并联机构为主构型,以Stewart并联机构为辅助构型,在末端执行器上布置多个打印头,实现多输出。根据建立的运动学模型,分析了该机器人机构的运动学反解,得到速度雅可比矩阵,解得各驱动关节的速度和加速度。给定动平台的运动轨迹,仿真分析了机构的运动协调性,并对机构的灵巧性与静刚度进行了分析。     

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.     

空间2自由度冗余驱动并联机构运动学性能分析

面向建筑机器人领域的高性能机械臂需求,提出了一种空间2旋转自由度的3-UPS&U冗余驱动并联机构。基于螺旋理论和修正的G-K公式对机构的整体自由度进行分析,确定了其围绕恰约束支链万向副旋转的运动特性。建立驱动参数与末端参数之间的映射关系,得到其工作空间模型。通过主驱动并联、从动约束串联的独立建模,构造了该并联机构完整的广义雅可比矩阵,进一步得到动平台末端中心点线速度与驱动关节速度之间的无量纲化雅可比矩阵,并据此建立了特定工作空间下机构的灵巧度、承载能力和刚度性能评价指标。最后结果表明,3-UPS&U冗余驱动并联机构进行较高频次上下摆动作业时,在约束支链所布置的对应转轴方向上,具有更佳的综合运动学性能,且能大大降低性能衰减的幅度。     

DIMENSIONAL DESIGN THEORY AND METHODOLOGY OF 6-DOF SCISSOR PARALLEL MANIPULATOR

Parallel manipulators have many advantages over serial manipulators in terms of high load/weight ratio, velocity, stiffness and precision. A dimensional design theory and methodology of six degrees of freedom scissor parallel manipulator (SPM) is investigated. The SPM kinematics inverse equation is given. Based on the formulation of the local dexterity and the definition about the indexes of workspace incircle radius, the effects of the design parameters on the dexterity and workspace are discussed. Moreover the incircle radius change ratio about workspace are defined and used as the evaluated indicator to analyze the effects of the design parameters on the performances. A dimensional design theory that could satisfy the requirement of dexterity and workspace is proposed. The dimensional design theory and methodology can be of help in the design, trajectory planning and control of parallel manipulator.