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.     

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.     

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。     

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.     

3-RPUU并联机构的奇异分析

3-RPUU是一种含UU支链的对称六自由度并联机构,通过计算其瞬时运动螺旋,分析了该机构的奇异位形。首先根据机构几何参数、输入量与动平台输出量计算了支链运动螺旋;然后采用封闭式矢量法,并结合各运动副回转轴线的几何关系,求出机构的位置反解与回转轴线的方向角,进而确定了动平台任意位姿时各运动副的瞬时运动螺旋;最后,根据瞬时运动螺旋推导了机构的奇异位形产生条件,并通过实例证明其适用性。     

一种可整周回转的新型3T1R并联机构运动学分析

具有3移动1转动(3T1R)4自由度并联机构在工业领域具有广泛的应用潜力。然而绝大多数现有的3T1R并联机构的动平台转动范围小于90°。提出一种具有整周回转能力的3T1R并联机构。该机构动、静平台通过两根相同的混联分支(PRR)_2RH相连接。通过两个共轴、反向的等螺距螺旋副来实现动平台的整周回转能力。运用李群理论分析了机构的自由度。建立闭环约束方程对机构进行了位置正、反解计算。通过速度分析建立了雅可比矩阵,并在此基础上对机构进行了奇异分析,找到了所有的奇异位形。分析了机构的工作空间,以条件数作为性能指标,绘制了机构在工作空间内的性能分布图。研究结果为该机构后续的优化设计、动力学建模提供了理论基础。     

一种可重构、部分运动解耦的空间n维平移1维转动并联机构的拓扑及其运动学设计

根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论与方法,提出了一种动平台可重构的三自由度并联机构RPa3R-R+RSS。对该机构的运动输出特性进行分析,表明该机构动平台能产生空间n维平移1维转动（nT1R,n=2,3）的输出运动且具有部分运动解耦性,通过动平台的重构可赋予动平台的转动绕3个特定转动轴x、y、z输出;计算了机构的自由度和耦合度;基于序单开链的运动学建模原理,建立了该机构动平台绕任意转动轴输出构型下的通用运动学模型;对动平台绕z轴转动输出构型下的运动学进行了分析,包括位置正反解、工作空间形状与大小、动平台转动能力、机构的奇异位形条件,以及机构的速度和加速度计算与仿真分析。     

一种新型三自由度混联机构基于刚度性能的尺度综合方法

对一种新型三转动自由度混联机构进行了概念设计与尺度综合研究,该机构是由一种两转动自由度并联机构与回转工作台通过转台轴承串联而成的,具有刚度高、结构简单等优点。在建立两自由度并联机构速度映射模型的基础上,基于雅可比矩阵的奇异值理论,以机构的刚度为评价指标,研究了该机构并联部分的尺度综合问题。采用约束坐标轮换法来寻求评价函数的最优解,讨论了各尺度参数对机构刚度的影响规律,并得出了在最优解处,两移动副是平行的,且移动副间的距离与动平台上两球铰间的距离相等的结论,进而验证了该方法的有效性。     

6-RRS超冗余驱动飞行模拟器的性能分析

提出一种以6-RRS超冗余驱动球面并联机构作为飞行模拟器的运动机构。该球面并联机构具有三个转动自由度,六个驱动,三个冗余驱动;两个完全相同的3-RRS球面并联机构构成6-RRS球面并联机构,该球面并联机构广义上仍然具有一个定平台,一个动平台,整个动平台即为飞行模式器座舱。该运动机构采用电气伺服系统驱动,从而克服了液压伺服系统的缺点;同时采用超冗余驱动达到大功率运动的目的。主要分析6-RRS超冗余驱动飞行模拟器的三项重要性能指标,利用螺旋理论给出该运动机构的雅可比矩阵,并以雅可比矩阵为核心分析该机构的灵巧度性能以及刚度性能和奇异性能。     

动/静平台非一致型并联机构构型分析及设计方法

针对动/静平台非一致型并联机构的设计需求,提出一种基于尺度综合的机构构型设计方法。根据拓扑结构设计理论对目标自由度并联机构支链进行构造;确定平台联结铰点的数量及类型,对机构进行初步设计及动平台自由度校核;以一种五自由度动/静平台非一致型并联机构为例,运用一次尺度综合对机构尺寸参数进行一次改进,建立机构初步模型;定义冗余支链和角部支链,通过二次尺度综合对冗余支链位置进行二次改进,完成机构所有尺寸参数的计算,给出机构的整体模型;与相似尺寸下、相近工作空间内Stewart机构的局部传递指标图谱进行对比分析,该机构具有良好的运动/力传递性能,验证了所提出的并联机构构型设计方法的正确性和可行性。     

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。     

一种新型3自由度并联机构的奇异性分析

研究一种新型空间3自由度并联机构(HANA)的奇异性。该机构由定平台、动平台和三个联接支链组成，其动平台相对于定平台具有2个移动和1个转动自由度。其结构主要特点是只采用了单自由度的运动副。构型优势主要是转动自由度灵活度高。详细分析了该机构的三类奇异形位，为以后关于该机构的工作空间和转动能力分析以及控制提供基础，特别是基于合理设计的工作空间内无奇异特性将保证该机构拥有很高的转动能力。该机构不仅可以应用在并联机床的设计中，还可以广泛地应用在工业机器人、飞行模拟器和微型机器人等领域。     

基于动平台铰接的概念设计一类含有螺旋副的并联机构

通过总结含有铰接动平台的并联机构的共同特点,提出含有铰接动平台的并联机构的一般拓扑布局。该拓扑布局将并联机构分成了基座、铰接动平台和一级支链等三部分。基于位移子群/子流形的基本理论,提出一种用于综合具有该拓扑布局的并联机构构型的方法。设计了数种含有螺旋副且可实现两转动自由度或三转动自由度的铰接动平台,并根据所提出的构型综合方法,综合设计了一类2R、2R2T和3R并联机构。结果表明,所综合的并联机构的部分构型可以实现多个方向的整周转动,同时也验证了该综合方法的有效性。结合具有虚拟转动中心的机构的设计要求,简要讨论了所综合的并联机构在此条件下的应用方法。     

基于G_F集理论的3T2R并联机构型综合

针对工业应用中的一类并联机构——3T2R并联机构,提出了基于G_F集构型理论的并联机构型综合方法,给出了3T2R并联机构的构型综合的具体步骤。结合具体3T2R并联机构的应用参数需求,最终筛选出部分具有确定末端运动特征的3T2R并联机构。从中选出3-PPPR1R2为研究对象,运用ADAMS对该机构进行了运动学和动力学分析,验证了基于G_F集构型理论的并联机构型综合所选3T2R并联机构的正确性。     

冗余并联柔索机构轨迹跟踪控制的研究

基于影响系数法对冗余并联柔索机构进行了运动学分析,验证了动平台的姿态参数欧拉角对时间的1阶、2阶导数不能表示动平台的角速度和角加速度.考虑电绞盘的动力学特性建立了动力学方程,获得了奇异摄动模型,并进行了圆轨迹跟踪控制仿真分析.采用常值重力及内张力补偿设计了控制系统调节器,基于电机转角位置反馈分析了该控制系统PD调节器的误差,验证了该控制系统的稳定性,为冗余并联柔索机构控制系统的设计提供了理论依据.     

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。     

Stewart机构姿态奇异及非奇异姿态空间的研究

推导出了6／6-SPS型Stewart机构处于固定位置时机构的姿态奇异轨迹的解析表达式。研究结果表明,机构处于固定位苴时的姿态奇异轨迹是一个关于机构动平台的姿态参数的十三次多项式。还研究了机构动平台的几何外形、动平台和定平台的外接圆的半径比、动平台的位置对机构的非奇异姿态空间的影响,因此为该并联机构的优化设计提供了重要的理论依据。     

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。     

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。