Stewart台体并联机器人位置正解

为获得Stewart台体并联机器人位置正解的解析解,使用分次字典序Groebner基和Sylvester结式相结合的代数方法对该问题进行研究.利用计算代数中的分次字典序Groebner基算法,计算该机器人位置正解封闭数学模型的分次字典序Groebner基;从得出的51个基中选取20个基,构造20阶Sylvester结式,分析符号形式方程组的变量次数,可以直接得出该机器人位置正解一元高次方程的次数为40且最多有40组解的结论,其结果与前人的完全一致,但结式的尺寸却小得多.为了对结果进行验证,使用同伦连续法对同一个数字算例进行计算,两种方法得到结果一致.为并联机构位置正解的研究提供了一种新的有效算法.     

3PSS并联机构的运动特性分析

对3PSS并联机构的运动特性进行了深入地分析,从理论上证明了该机构的动平台的运动为平动,并应用虚拟样机技术进行了验证.接着又进一步分析了动平台的运动空间,给出了动平台运动空间的理论分析的解析描述,并绘制出了动平台运动空间的三维几何图形,这为动平台的运动轨迹规划奠定了基础.      

基于共形几何代数的空间并联机构位置正解

将共形几何代数(CGA)引入空间并联机构位置正解中,提出了一种空间3-RPS并联机构位置正解新算法。以任意一条支链轴线与静平台平面的夹角为待求变量,基于点的CGA表达方法建立了该支链与动平台连接的铰接点关于待求变量的数学表达式;通过2次构造2个空间球和1个平面的外积,分别获得动平台其余2个铰接点的点对;利用距离公式,只需简单的平方运算可直接推导出该问题关于待求变量的一元16次输入输出方程,进而获得了该机构的全部16组解析解,无增无漏。该方法没有繁琐的坐标变换和矩阵计算,以及复杂的多元高次非线性方程组消元求解。通过数字实例计算表明,求解过程较清晰地揭示出机构运动的几何特点,几何直观性好。     

6杆并联机构运动学及杆受力的仿真

在给定的工作空间下,对6杆并联机构动平台的运动过程进行了仿真,用计算机程序模拟了动平台做圆周平动及定点摇动时的速度、加速度及各杆受力的变化情况.通过动平台的速度和加速度曲线,分析了影响动平台运动的准确性和平稳性的原因;通过6根杆的最大受力和动平台最大加速度之间的关系,表明并联机构在给定的工作空间中具有较好的操作灵活性,并可使动平台达到较大的速度和加速度.本文研究结果为并联机床的控制提供了必要的参考.      

空间6R串联机器人机构位置逆解新算法

将倍四元数的复指数形式应用于串联机构位置逆解分析中,提出了空间6R(R代表转动副)串联机构位置逆解新算法.基于倍四元数建立了空间6R串联机构位置逆解的数学模型;然后,使用线性消元和Dixon结式消元法,得到了6×6的结式;由于采用未知转角的复指数形式,不需要提取任何公因式,可直接获得该机构位置逆解的一元16次输入输出方程和全部16组封闭解.最后通过数字实例证明了该方法无增根无漏根.算例表明算法简洁,易于程序实现,为串联机构位置逆解分析提供了新的理论基础.     

6PUS并联机构的运动学整机标定

首先建立了6PUS并联机构包括虎克铰铰链点、球铰铰链点、杆长以及导轨方向向量在内的54结构参数的误差雅可比矩阵。在MATLAB中使用最小二乘法建立了其标定模型,通过仿真验证了雅可比矩阵的正确性和最小二乘法参数辨识的有效性。其次采用正交试验选取位姿,用激光跟踪仪进行整机标定实验。根据标定结果,在MATLAB中采用建立的标定模型进行参数辨识,得到54结构参数。最后进行误差补偿,观察标定补偿效果。该整机标定可使单方向最大位置误差在0.030 mm,最大姿态误差在0.0007 rad;三方向最大位置误差在0.046 mm,最大姿态误差在0.0008 rad。由标定效果可知,整机标定可明显地提高运动学精度。      

基于路径跟踪原理求解6-SPS并联机构位置正解

以6-SPS并联机构为例,基于路径跟踪原理,提出一种求解并联机构位置正解的预估-校正法.该方法通过求解并联机构位姿方程的微分初值问题,经过路径跟踪,可求出指定杆长动平台的正确位姿,并可求出从初值到待求值的中间结果.仿真结果表明,该方法具有计算速度快,收敛范围大,计算结果可靠的特点.     

一种含闭环支链的新型并联机构设计与分析

为满足航天飞行器壳体套装过程中位姿调整机构刚度大、精度高的要求,对传统的支链结构进行有针对性的改进,设计了一种支链为闭环结构的新型5-U（RRP）S/（8U）PU并联机构,并进行了分析研究。应用螺旋理论计算机构的自由度;建立封闭矢量方程,进行运动学正反解;应用螺旋理论求解机构的全雅可比矩阵;利用杆长约束条件绘制机构的定姿态工作空间;通过求解静刚度矩阵分析机构的刚度随位姿的变化情况;利用软件进行仿真,并与一般机构进行对比。通过分析,验证了该机构的可行性和实际应用价值,为实现航天飞行器壳体套装的自动化奠定基础。      

新型2-2PRUR并联机构运动学分析及工作空间优化

基于工业生产线实际需求,设计了新型2-2PRUR并联机构,进行运动学分析的同时基于散点图对工作空间进行了优化。提出了通过拆分动平台为两部分并加装行星轮系以解决四自由度并联机构过约束及增大转动自由度转角的方法;运用坐标法写出机构约束方程并求解位置正反解;利用位置反解方程解的散点画出机构工作空间,同时以散点数最大为原则运用遗传算法对工作空间进行优化,获得了合理的结构参数。为此类并联机构的研究和应用奠定了基础。     

基于加性对偶四元数的惯性/天文组合导航算法

为了提高惯性/天文组合导航系统在高动态条件下的导航精度,提出了一种基于加性对偶四元数的惯性/天文组合导航算法.该算法将载体的旋转和平移统一起来,使用螺旋矢量更新对偶四元数,同时补偿圆锥误差和划船误差.推导了组合导航系统基于加性对偶四元数的误差模型和导航参数误差的计算方程;把陀螺仪和加速度计的常值误差扩充到状态变量中,随机误差作为系统噪声输入,利用星敏感器输出参数来校正陀螺漂移,通过卡尔曼滤波对状态变量进行估计.仿真结果表明:在高动态条件下,基于对偶四元数的惯性/天文导航算法的导航精度比传统算法提高2倍多.     

线驱动拟人臂机器人机构与前向运动学分析

为了克服手臂上的安装电机由于自重对拟人臂机器人承载能力和运动灵活性造成的影响,基于最新人臂仿生和并联机器人研究的成果,提出了一种用线驱动的并联机构替代手臂的肩、腕关节的串并联结构,并将驱动电机安放在基座上.讨论了从各个关节到基座的驱动绳索的走线方式及关节之间的耦合情况,在此基础上对前向运动学进行了分析,给出了末端相对于基础坐标系的位姿态正解.由给出的两组数值解实例,在ADAMS环境下进行了仿真,验证了算法的正确性.      

基于动力补偿的液压并联运动平台控制策略

针对所研制的飞行模拟器用大负载液压六自由度并联运动平台,在对系统闭环动力学模型进行详细分析的基础上,依据系统数学模型存在外扰力、摩擦力及不确知参数等因素影响的控制特性,利用系统闭环动力学模型的动力补偿特性,采用六维动力补偿器,提出一种PD控制器加小波神经网络补偿器进行在线动力学补偿的实时控制策略,并通过实验验证了其控制的有效性.结果表明:该方法具有良好的跟踪特性,能够提高系统响应快速性、运动精度及抗负载扰动能力,很大程度上克服了系统的动力耦合及参数时变和未知力扰动带来的影响,为多自由度运动系统的高性能实时控制开辟了崭新途径.      

2UPR-RRU并联机构及其运动学分析

针对航天制造中轻金属材料搅拌摩擦焊的焊接需求,提出一种以2UPR-RRU构型的1T2R三自由度并联机构为主要执行机构的焊接装备。基于螺旋理论分析了该构型在一般位型和特殊位型下的约束螺旋系和自由度性质,指出该构型是具有两转一移的全周自由度机构。建立2UPR-RRU并联机构运动学模型,利用闭环矢量法建立动平台位姿与各驱动支链的关系,推导其运动学的正反解;在正解过程中构造优化目标函数,采用粒子群优化（PSO）算法分析了位姿输出与驱动关节输入的关系,得到了驱动输入的精确解。基于输入/输出速度雅可比矩阵分析了机构的奇异性问题,指出该构型避免存在驱动奇异的条件,研究表明该机构具有较好的运动学特性和驱动特性,具备良好的应用潜力。      

基于驱动或结构冗余的并联机器人容错方法

研究了并联机器人利用驱动冗余进行驱动器故障容错及利用结构冗余进行关节故障容错的方法.结合冗余驱动并联机构的力矩分配问题的多解性,分析了部分驱动器故障后在剩余正常工作驱动器之间重新分配驱动力矩以实现容错的方法.结合结构冗余并联机构的特点,分析了放弃部分结构自由度以完成操作任务的方法.从运动学和动力学角度讨论了两类冗余机器人的特点及容错的可能性,以一种平面三自由度并联机构为实例,针对驱动器及关节故障分别分析了故障后机构运动学和动力学性能的变化,验证了采用驱动及结构的冗余进行容错的可行性.     

基于有限元3-RPS并联机床轻量化优化设计

为了减轻3-RPS并联机床质量,提高其刚度,分别对静平台与支链进行了结构改进.采用连接单元模拟机床中运动副,对并联机床静刚度进行有限元分析.通过分析结果获得静平台的刚度薄弱环节、支链的变形及其对机床变形的影响规律.在静平台刚度薄弱处增加抵抗变形的筋板,并通过减小其框架尺寸的方式优化静平台结构.采用悬臂梁模型分析支链的变形,以支链质量和变形乘积最小对支链进行尺寸优化.改进后的并联机床质量显著减轻,机床变形明显减小.优化结果能够提高机床动态响应性能以及机床精度.     

考虑容错的平面二自由度过驱动机构力矩分配

针对过驱动机器人的故障驱动器数目不多于驱动冗余个数的情况,探讨如何进行故障前后的驱动力矩分配以保证机构具有容错能力.以平面二自由度过驱动并联机器人为研究对象,基于达朗伯原理和等效力方法建立其动力学模型,在此基础上分析了部分驱动器故障后机构的动力学方程,并进一步推导故障后容错力矩再分配方法.为减小故障后驱动力矩瞬时突变对机器人末端操作的影响,提出以故障前后的力矩差值平方和最小作为优化目标来进行过驱动机构力矩分配的方法.通过数据计算比较了采用传统方法和优化方法的各关节驱动力矩的突变量之和,结果表明所提出的优化力矩分配方法可以改善容错性能.      

基于Lagrange方程三自由度并联机构动力学研究

针对一种三自由度的并联机构采用Lagrange方程建立了动力学方程,得出了机构驱动力显式解.用计算机程序模拟了动平台做圆周运动时驱动力的变化情况以及机构简化所产生驱动力误差的大小,给出了可以对机构进行简化的条件.分析了机构的结构参数与驱动力的关系,为这种机构动力学特性的深入分析和结构优化设计提供了参考.      

3PRS/UPS冗余驱动并联机器人刚度特性分布

设计提出了一种采用冗余驱动的3PRS/UPS三自由度并联机器人,并建立分析其机构模型.基于螺旋理论,对并联机器人进行运动学分析,通过分别针对机构的驱动和约束建立了雅可比矩阵,最后整合建立了包含冗余驱动在内的全雅可比矩阵.利用虚功原理,结合并联机器人驱动副和约束副的柔度影响,推导得出了机构全刚度矩阵.同时,分析了机构在给定静载荷条件下的变形情况,总结出机构的空间变形分布规律.使用刚度矩阵的最小、最大特征值和运动刚度指标（KSI,Kinematic Stiffness Index）为机构刚度评价指标,对比和分析了引入冗余驱动前后对并联机器人刚度特性分布的影响,得出冗余驱动支链的引入可提高并联机器人特定方向的刚度和改善刚度分布的结论,为冗余驱动并联机器人优化设计和开发应用奠定基础.      

特殊复合球铰3-RPS并联机构及其连续刚度模型

采用矢量微分法研究了在大载荷作用下,兼顾支链和铰链刚度以及雅克比矩阵变化等影响因素的3-RPS并联机构完整连续刚度模型.基于螺旋理论分析了3-RPS并联机构支链及铰链构件所受作用力与机构外载荷之间的力平衡关系.采用矢量微分法分析了3-RPS并联机构动平台位姿变化与支链及铰链构件变形之间的关系.采用矢量微分法对机构的力学平衡方程进行微分,建立了完整的连续刚度模型,最后进行了数值模拟分析,结果表明并联机构刚度受载荷和位姿变化影响,简化刚度模型与完整刚度模型在工作空间边界处差值较大.