球面并联机构运动学解析与控制系统研究
并联机构动力学分析及控制策略研究
并联机构动力学分析及控制策略研究一、引言在机械系统中，机构是运动的基础。
机构的特性与性能对机器人和自动化系统的运动控制有着至关重要的影响。
在众多的机构中，并联机构是一种典型的高机动性机构，在机器人、飞行器以及自动化设备等领域得到了广泛应用。
本文将介绍并联机构动力学分析及控制策略的研究现状和发展方向。
二、并联机构动力学分析方法1.拉格朗日动力学方法拉格朗日动力学方法是一种经典的机械动力学分析方法，可以解决复杂机构的运动和动力学问题。
在分析并联机构时，可以通过拉格朗日方程建立并联机构的运动方程。
利用拉格朗日方程可以得到并联机构的运动学方程和动力学方程，从而实现机构的动力学分析。
2.牛顿-欧拉动力学方法牛顿-欧拉动力学方法是一种相对直观的机构分析方法，也被广泛应用于并联机构的动力学分析。
利用牛顿-欧拉法可以得到并联机构的动力学方程，通过求解方程可以得到并联机构的动态响应。
相对于拉格朗日动力学方法，牛顿-欧拉动力学方法需要更多的运动学参数，但是计算量要小得多。
三、并联机构的控制策略1. 基于模型的控制策略基于模型的控制策略是一种常用的控制方法，包括反馈控制、前馈控制、模型预测控制等。
这些方法都需要对机构的动力学方程进行建模，通过数学方法求解系统的控制器，从而实现控制效果。
但是这种方法必须先对系统动力学模型进行精确建模，否则控制效果会受到影响。
2. 基于学习的控制策略基于学习的控制策略是一种新兴的控制方法，它通过系统和环境的交互，自适应地学习控制器的参数。
这种控制方法基于强化学习、遗传算法等理论，对于复杂的机构控制效果非常好。
但是基于学习的控制方法需要大量的数据训练，较难应用于实际控制场景。
四、并联机构的控制应用并联机构的控制应用涵盖了多种领域，如自动化控制、机器人、航空航天等。
在这些领域中，人们需要通过对机构的控制来实现对设备的高精度部件加工、复杂任务执行和高速运动控制等。
因此，对并联机构的控制研究，对于各种自动化设备的设计、开发和应用具有重要意义。
多种方法分析二自由度球面并联机构位置正反解
多种方法分析二自由度球面并联机构位置正反解刘存生;韩先国【摘要】分析了球面并联机构的结构特点和应用方向,以二自由度球面并联机构为例,建立其三维模型以及运动学模型,利用螺旋理论给出自由度分析方法,并分别用欧拉角公式、螺旋理论、矢量分析法等多种理论分析二自由度球面并联机构正反解模型,为后续的动力学分析及控制系统开发提供理论基础.%This paper analyzes the structural characteristics and application of the spherical parallel mechanism. It also takes the 2-DOF spherical parallel mechanism as an example to establish the three-dimensional model and kinematic model and uses the screw theory to give out the analysis method of the degree of freedom and uses euler formula,screw theory and vector analysis to analyze the forward and inverse position model of the 2-DOF spherical parallel mechanism.The theoretical basis is provided for the dynamic analysis and development of the control system.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2018(000)001【总页数】4页(P19-21,29)【关键词】球面并联机构;位置正反解;螺旋理论;欧拉角【作者】刘存生;韩先国【作者单位】北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191【正文语种】中文【中图分类】TH1220 引言传统的串联机构是由很多关节按顺序连接而成的一个开链式结构，这种机构由于自身结构特点而存在承载能力差、刚度低以及精度不高的缺点，限制了其在某些领域的应用。
三自由度正交球面并联机构姿态正解
转 角的场 台＿－ ］６。在 国 家“ ６ ” ８ ３ 高技 术 发 展 计 划 及 国
家 自然科 学基 金 的资 助 下 ， 津 大学 开展 了设 计 理 论 天 及 样机建 造 的研究 工作 。 与 其它 并联机 构 相仿 ， 提供 形式 简 洁 、 计算 高效 的 姿 态正 、 逆解 模型 是 实现这 类机 构高 速 、 高精 度 的实时 运 动控 制及 实时监 控 的首 要前提 。本 文紧密结 合 样机 的 研制 ， 利用 刚体 旋转 的性 质 ， 出正交 球面 并联 机构 导 正 解 的显式 解析模 型 。并 将研 究成 果用 于一 台新 型数 控 回转 台数 控系 统 的开发 。
圈 ２ 机 构 筒 圈
正交球 面并联 机构 的结构 参 数满足 如下 条件
＝ ＝
号 ， ＝ — ｃ ＝ ｍ以．７ ｛ ＝
式 中： ． — — ． 与 ． ． 轴 与 轴问 的 结 构 夹 角 ； 。， 轴 轴 ， —— 静 ， 角 台 的半 顶锥 角 ｛ ２ 动
机通 过直 角减速 器 与连 架杆 、 连架杆 与连杆 、 及连杆 与 动角 台间用 转 动副铰 接 ， 各转 动 副轴 线 “ 、 ’ （ ｖ和 ． ｉ ， ＝１２ ３ 汇交 于球 心 Ｏ 。在伺 服 电机 的驱 动下 ， 角 ，，） 动 台可实现 绕过 球心 Ｏ 任 意 轴线 的三维 转 动。
ｗ ． ｓ２ 。＝０ （） ７
连体 系 。 一＂１ ∞３ 固定 参考 系 Ｏ—ｗ】 ２∞ ＂２ 和 ０ ０ ， 令 两 系 问 的旋 转 矩 阵 为 Ｒ 。 于 是， 现 系 。 一 实 Ｘ ｙ ｏ 系 Ｏ — ０ ０ ｏ０ 至 ２０旋 转 变 换 的 另 一 途 径 为 ： 首先将 系 Ｏ —ｚ ０ ｏ旋 转 至 系 。 一 】 ２ ０ ０ ０ 再将 系 Ｏ 一 有：
《基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人研制》
《基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人研制》一、引言随着科技的不断进步，机器人技术逐渐深入到人类生活的各个领域。
在医疗康复领域，尤其是对于手部及手腕康复的需求尤为突出。
而手腕康复机器人的研究和发展，成为了众多学者和技术人员的重点研究课题。
本篇论文主要针对基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人进行研制，旨在为患者提供更为高效、安全的康复治疗手段。
二、共轴球面并联机构的理论基础共轴球面并联机构是一种新型的机器人机构，具有结构紧凑、运动灵活等优点。
该机构能够提供多维度的运动空间，适用于各种复杂运动场景。
在手腕康复机器人的研制中，共轴球面并联机构的应用能够更好地模拟人手部的运动轨迹，提高康复训练的效率和效果。
三、手腕康复机器人的研制（一）设计思路本课题设计的手腕康复机器人以共轴球面并联机构为基础，结合人体手腕的生理结构，设计出一种能够模拟人手部运动轨迹的康复机器人。
通过调整机器人的运动参数，可以实现对患者手腕的全方位训练，包括屈伸、旋转、内外翻等动作。
（二）机械结构设计在机械结构设计方面，我们采用了模块化设计思想，将机器人分为底座、驱动模块、共轴球面并联机构等多个部分。
每个部分均采用高精度加工和优质材料，保证了机器人的稳定性和耐用性。
此外，我们还在设计过程中充分考虑了机器人的操作便捷性和患者的舒适度。
（三）控制系统设计控制系统的设计是手腕康复机器人的关键部分。
我们采用了先进的控制算法和传感器技术，实现了对机器人运动的高精度控制。
同时，我们还设计了友好的人机交互界面，使医生能够根据患者的具体情况，灵活调整训练参数和训练模式。
（四）康复治疗流程手腕康复机器人的治疗流程主要包括患者信息录入、训练计划制定、执行训练、效果评估等步骤。
在执行训练过程中，机器人能够根据患者的反应和表现，自动调整训练强度和方式，以达到最佳的康复效果。
同时，我们还通过传感器实时监测患者的生理指标，确保治疗过程的安全性。
四、实验与结果分析我们通过一系列实验验证了基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人的有效性。
《基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人研制》
《基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人研制》一、引言随着人口老龄化的加剧和人们生活方式的改变，手腕康复问题日益突出。
手腕康复机器人的研制对于提高患者的生活质量、减轻医疗负担具有重要意义。
共轴球面并联机构因其结构紧凑、运动灵活等优点，成为手腕康复机器人研究的热门选择。
本文基于共轴球面并联机构，研制了一款适用于手腕康复的机器人系统，以期为相关研究和应用提供参考。
二、共轴球面并联机构概述共轴球面并联机构是一种具有高灵活度和高刚度的机构类型，通过多个平行运动轴系的相互连接和配合，可以实现多个方向的协调运动。
该机构具有结构紧凑、运动范围大、动态响应快等优点，非常适合用于手腕康复机器人的研制。
三、手腕康复机器人系统设计1. 机械结构设计：根据手腕的生理结构和运动特点，设计出合理的机械结构。
本系统采用共轴球面并联机构，结合人体工学原理，确保手腕在运动过程中得到有效的支持和引导。
2. 驱动系统设计：采用伺服电机和传动装置，实现对手腕运动的精确控制。
同时，为了确保系统的稳定性和可靠性，选用高精度的传感器和控制系统。
3. 软件系统设计：基于PC平台开发一套可视化操作界面，便于医护人员对患者进行操作和治疗。
软件系统包括患者信息管理、治疗计划制定、运动数据采集与分析等功能。
四、手腕康复机器人关键技术1. 运动学建模：基于共轴球面并联机构的运动特点，建立手腕康复机器人的运动学模型，为后续的运动控制和优化提供依据。
2. 运动控制策略：采用先进的控制算法，实现对手腕运动的精确控制。
包括位置控制、速度控制、力控制等，确保患者在康复过程中得到有效的治疗和锻炼。
3. 安全性设计：在系统中加入多种安全保护措施，如过载保护、运动范围限制等，确保患者在使用过程中的安全。
五、实验与结果分析为了验证本系统的性能和效果，我们进行了多组实验。
实验结果表明，本系统能够有效地模拟人手对手腕的康复治疗过程，实现对手腕的精确控制和有效锻炼。
同时，系统具有较高的稳定性和可靠性，能够满足患者的长期使用需求。
《基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人研制》范文
《基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人研制》篇一一、引言随着科技的飞速发展，医疗领域逐渐融合了多种高科技技术。
在康复医学领域，康复机器人已成为一个重要方向。
特别是对于手腕康复，机器人技术能有效地帮助患者恢复手腕功能，提高生活质量。
共轴球面并联机构作为一种新型的机械结构，其精度高、运动灵活等特点，使得其在康复机器人研制中得到了广泛的应用。
本文旨在研究基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人的研制。
二、共轴球面并联机构概述共轴球面并联机构是一种新型的机械结构，其特点在于多个运动支链共享同一轴线，形成共轴运动。
这种结构具有高精度、高刚度、运动灵活等优点，非常适合用于手腕康复机器人的研制。
通过共轴球面并联机构的运动学分析和优化设计，可以有效地提高康复机器人的性能。
三、手腕康复机器人的研制1. 需求分析：针对手腕康复患者的需求，进行详细的需求分析，包括康复目标、运动范围、安全性等方面的考虑。
2. 机械结构设计：根据需求分析，设计出基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人机械结构。
包括主要部件的选材、尺寸、形状等。
3. 运动学分析：对设计的机械结构进行运动学分析，确保其满足手腕康复的需求，并优化设计以提高性能。
4. 控制系统设计：设计出适合手腕康复机器人的控制系统，包括硬件和软件的设计。
控制系统应能实现精确控制、安全保护等功能。
5. 实验验证：通过实验验证手腕康复机器人的性能，包括运动范围、精度、安全性等方面的测试。
四、共轴球面并联机构在手腕康复机器人中的应用共轴球面并联机构在手腕康复机器人中的应用，主要体现在以下几个方面：1. 精确控制：共轴球面并联机构具有高精度、高刚度的特点，可以实现对手腕的精确控制，帮助患者进行康复训练。
2. 运动灵活：共轴球面并联机构的运动灵活，可以模拟出人手的各种复杂动作，使患者在进行康复训练时更加接近实际生活场景。
3. 安全保护：通过控制系统对共轴球面并联机构进行安全保护设计，确保患者在康复训练过程中的安全。
基于PMAC运动学的并联机构力控制研究
动学反解程序缓冲区， 来执行运动学计算。每个坐标系只能有一
Ｔｒ Ａ ｕ ｏ Ｍ Ｃ具有一种机制 ， ｂＰ 使用户可以实现复杂 的运动学 个这样的程序缓冲区， 运动学的算法会在要求的时间内被 自动执
运算目 它是针对刀尖坐标和关节坐标之问为非线性关系时 ， 。 提供 行 ， 该调用被作为运动程序的子程序来运行。运动学程序类似于 了运动学计算功能 在并联机构控制中， 。 只要将机构的运 动学程 运动程序的格式。
电机运动到相应位置。
Ｑ＝ － Ｐ， ） Ｔｇ（ ，２ Ｐ Ｑ＝２ １ ） ｓ （ ，， ｇＰ 尸 Ｑ＝ ３ Ｉ ＂ ） ￣ｇ（ ，２ Ｐ ｔ，
Ｃｌｓ ｏｅ
式 中： ，口 、 厂一ｕｂ ＭＡ Ｑ、ｓ Ｑ ｒ ｒｏ ｆ Ｐ Ｃ中盼 专用变量 ， 表示轨迹在虚轴上
粗插补方式 ， 如图 ２所示。首先 ， 检测实轴上的反馈位置 ， 然 的轨迹规划坐 标值 ，分 别代表 、 、 ； 、 、 Ｔ ｒｏ 后通过位置正解计算 出机构在虚轴上的当前位置 ， ｙｚ轴 — ｕｂ 假定为 ｘ ３的 ＝ Ｐ Ｃ中的专用变量 ，表示 １２３ 电机在实轴上的坐标 位置 ， ＭＡ 、、 号 同时计算 出机构的零点位置 。 然后在当前位置 ＝ 和程序给 ３
【 摘
要】 对于冗余并联机构 ， 由于位置误差的存在 ， 如果只控制关节位置可能在 系统 内部产生较
大 内力 ， 甚至破坏 系统结构 。 而构建 力控 制 系统往 往 需要修 改整个控 制 系统 。 通过对 Ｐ ＭＡＣ运 动控制 器
球面并联机构运动学解析与控制系统研究
Ｒ ¨ 一一 。 。 ：
式 中， 一 ≠ ． 了避 免 支链 干涉 ， 束 动角 台旋 为 约
ｆ
ｊ
（） １
王 洋 ． 雁冰 ， 田， 玉 明 倪 黄 张
（ 津 大 学 机 械 工 程 学 院 ． 津 ３０ ７ 天 天 ０ ０ ２）
捕
要； 结合基 干球 面并联机构的数控 回转 台的开发， 推导 出其运动 学正、 解审 型的解析表 逆 Ｉ
这． 井根 据 并 联 机 构 虚 妾映 射 的 特 点 ， 出在 二 次 （ 、 ） 补 策略 的 基础 上 ， 用 “ 褪 粗 精 插 采 双墟 存 原 理 ” 以“ ＭＡＣ Ｐ 为硬 件 平 台 ， Ｐ － Ｃ 设 计 井 开发 了球 面 并联 机 构 敷 控 系统 ． 方 法 时各 寞 井联 谊
3利用pmac所提供的pvt插补模式对伺服轴上的离散点进?细分并通过伺服放大器驱动电机和并联机构按预定轨迹运动该过程相当于传统数控的精插补圈4硬件平台fig4architectureofhardware5实时多任务调度为了与传统机床数控编程一致使传统数控的nc代码直接应用于并联机床的控制为此提出双缓存原?即开辟2个缓冲区
并联 机 构 的控 制． 由 于不 同构 型 的并联 机 构 逆 解方 且 程 和结 构参 数 不尽 相 同 ， 数 控 系统 的建造 必 须 采用 故 开 放式 的体 系结 构． 结 合 国家 ” ３ ”高技 术 发 展项 目 ， ８６ 以开 发基 于球 面并 联 机构 的数 控 回转 台为 目标 ， 此 建立 了高 效 的 为 运 动学 正 、 解析模 型 ， 粗 、 逆 在 精插 补 策略 的基 础上 ， 采 用“ 双缓 存 原理 ”开 发 了球 面并联 机构 数 控 系统． 系 该 统 已成功 应用 于该 数控 回转台． ２ １ 动 角台姿杰 描述 ．
3-RRR球面并联机器人运动干涉检查及工作空间研究
1灵巧眼-球面3自由度并联机构的正解分析新方法
!"# $"%&’( ’) )’*#+*( ,’-.%.’/ +/+01-.- ’) %&" 2 3 456 -,&"*.7+0 ,+*+00"0 $+/.,80+%’*
2)3 45678" ，2)3 9678+ 0 " (:;;686 :< =6>5?7@>?; A78@766B@78C D6E6@ F7@G6BH@IJ :< K6>57:;:8JC K@?7L@7 $,,"$,C (5@7? 1 0 + M5?785?@ N@?:I:78 F7@G6BH@IJ MI?I6 O6J P?E:B?I:BJ :< Q@EB?I@:7C M5:>R S T:@H6C M5?785?@ +,,,$, ， (5@7? 1
中图分类号：F+&+
并联机器人的运动学正解问题是给出多项式方程，并采用反解方式对正解进 行了数值验证。
" 坐标系建立与几何关系导出
球面 $ 自由度并联机构，上下角台用 $ 个 $ 转动副运动链 相联， 所有转动运动副轴线皆汇交于一点 ， 转动的上角锥绕 点 相对固定的下角锥转动。上下角锥的两个底面为等边三角形， 如图 " 所示该球面 $ 自由度并联机构的 ()* 模型， $ 个主动件 固定在定角锥棱边上。 如图 + 所示机构简图，固定坐标系 ! " #$% 建在球面机构 的中心， # 轴平行于定角台的底面三角形中心到一个顶点的直 线，% 轴垂直底面竖直向上，轴根据右手螺旋法则由 #、% 轴定 出。 动坐标系 ! " %& $& %&的原点与定坐标系原点重合， #&轴平行 于动角台的底面，指向三角形的一个顶点，该顶点方向与定角 台的顶点方向一致， %&轴指向上角台底面中心， $&轴根据右手螺 旋法则由 #&， %&轴确定。
《基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人研制》
《基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人研制》一、引言随着人口老龄化的加剧和工伤事故的增多，手腕康复问题逐渐成为医学和工程领域的重要研究课题。
为了帮助患者进行手腕康复训练，研究人员正在致力于开发具有高度适应性、精准性和安全性的手腕康复机器人。
本文介绍了一种基于共轴球面并联机构的手腕康复机器人的研制，以期为相关研究提供参考。
二、共轴球面并联机构概述共轴球面并联机构是一种新型的机器人运动机构，其特点在于多个运动轴线共轴，且通过球面副连接。
这种机构具有结构紧凑、运动灵活、负载能力强等优点，适用于手腕康复机器人的研制。
共轴球面并联机构能够模拟人体手腕的自然运动，使康复训练更加接近实际生活场景，有助于提高患者的康复效果。
三、手腕康复机器人研制1. 需求分析：根据手腕康复训练的需求，确定机器人的主要功能包括模拟日常手腕运动、提供适当的阻力以及实时监测患者的康复进度等。
2. 机械结构设计：采用共轴球面并联机构作为机器人的主要运动机构，设计合理的机械结构，确保机器人能够稳定地模拟各种手腕运动。
3. 控制系统设计：采用先进的控制算法，实现对机器人运动的高精度控制。
同时，通过传感器实时监测患者的运动状态和康复进度，为医生提供准确的反馈信息。
4. 软件系统开发：开发友好的人机交互界面，方便患者和医生操作。
同时，通过软件系统实现对机器人运动轨迹的规划、患者数据的记录和分析等功能。
5. 实验与验证：通过实验验证机器人的性能和效果，根据实验结果对机器人进行优化和改进。
四、技术特点与优势1. 高精度控制：采用先进的控制算法和传感器技术，实现对机器人运动的高精度控制，确保患者得到准确的康复训练。
2. 高度适应性：共轴球面并联机构具有结构紧凑、运动灵活的特点，能够模拟各种手腕运动，适应不同患者的康复需求。
3. 安全可靠：机器人具有多种安全保护措施，如限位保护、力矩控制等，确保患者在训练过程中的安全。
4. 实时监测与反馈：通过传感器实时监测患者的运动状态和康复进度，为医生提供准确的反馈信息，便于医生制定个性化的康复方案。
基于螺旋理论的球面并联机构动力学解析模型
2007年4月农业机械学报第38卷第4期基于螺旋理论的球面并联机构动力学解析模型*张均富 王进戈 徐礼钜 【摘要】 提出了一种应用螺旋理论建立球面五杆并联机构动力学解析模型的方法。
应用螺旋理论导出了球面五杆机构的一、二阶影响系数。
基于凯恩方程和数值-符号方法,把机构的广义坐标以及构件的惯性参数和几何参数处理为符号量,将动力学模型矩阵的推导问题转化为特定条件下运用运动学和动力学公式求解驱动力的问题,建立了球面五杆并联机构的动力学解析模型。
给出了动力学模型矩阵元素的解析代码生成和仿真计算实例,并讨论了球面机构的构件尺寸参数和惯性参数对机构驱动力矩的影响。
关键词:球面并联机构 动力学 解析模型 螺旋理论中图分类号:T P 242文献标识码:AAnalytical Dynamic Model for Spherical ParallelMechanisms Based on Screw TheoryZhang Junfu 1,2 Wang Jinge 2 Xu Liju 1(1.S ichuan Univ ersity 2.X ihua Univer sity )AbstractAn approach to the analytical dynam ic model for spherical parallel m echanism s by means of screw theory w as ing scr ew theo ry,o ne and tw o order effect coefficient m atrix es fo r 2-DOF spherical parallel m echanism s w ere derived.Analytical dynamic model fo r spherical parallel m echanism s w as established based on numeric -sym bolic approach and Kane dynamic e-quation ,in w hich inertia parameters and g eo metr ic param eter as w ell as generalized coordinates w er e ex pr essed as sym bols.Problem of der iv ing m odel matrix elements has been transform ed into the problem of so lving for dr iv ing force under specified conditions by kinematic and dy namic for-mulae .T he numerical ex amples o f analytical co de g eneration for dynam ic m odel matrix elem ents and simulatio n calculation w ere g iven for illustration.T he influence o f adjustable par am eters on dy namic of 2-DOF spherical parallel mechanisms w as studied.Key words Spher ical parallel m echanism s ,Dynamics ,Analy tical m odel ,Screw theo ry收稿日期:2005-12-07*国家自然科学基金资助项目(项目编号:50375104)张均富 四川大学制造科学与工程学院 博士生 副教授(西华大学),610065 成都市王进戈 西华大学研究生处处长 教授 博士,610039 成都市徐礼钜 四川大学制造科学与工程学院 教授 博士生导师 引言螺旋理论是分析空间机构众多数学方法中一个十分有效的工具,它用于空间机构的运动学和动力学分析。
基于螺旋理论的球面并联机构动力学解析模型
第 4 期
张均富 等: 基于螺旋理论的球面并联机构动力学解析模型
123
阵的数值符号表达式, 使在线计算量大为减少, 从而
为实时控制打下良好的基础。
近年来, 少自由度并
联机构引起了许多机构学
者 的 研 究 兴 趣, 1999 年
Go sselin C M 等提出了一
种球面五杆机构的新构
型[8 ] (图 1) , 但目前尚缺少
·
q
(10)
式中 Ε3(1) ——支链 1 中构件 3 的绝对角加速度
于是, 机构中任一支链 j 中的构件 i 的绝对角
加速度可表示为
Εi (j) =
J i(j) q+
·q TW
i(j)
·
q
(11)
式中 Εi(j) ——构件的绝对角加速度
W i(j) ——机构的二阶影响系数矩阵
式 (7)、(11) 中的一、二阶影响系数矩阵元素均
＄2(2) 始 终 与 末 端 执 行 器 O P 垂 直, 则 各 旋 量 的
P lücker 坐标确定如下
0＄1 (1) = (1, 0, 0; 0, 0, 0)
1＄2 (1) = (0, co sq1, sinq1; 0, 0, 0)
2＄3 (1) = (2sδ3 (1) ; 0, 0, 0)
vci(j) —— 构件质心绝对速度
J i(j) ——一阶影响系数矩阵
112 加速度分析
设末端执行器相对基础构件的绝对瞬时加速度
为0A 3 (1) =
(
0
·
Ξ3
(1)
,
0) ,
根据 R ico
J
M
等人用旋量进
行加速度分析的研究[1], 对机构的两个分支写出如
柔索驱动三自由度球面并联机构运动学与静力学研究
Σ ηενψανγ Υ νιϖερσιτψ οφ Τ εχηνολογ ψ Σ ηενψανγ
Αβστραχτ •
√
√
∏
√
√
∏
√
√
≤
√
⁄√
×
∏
.
∏
×
∏
∏
√
√
√
√
Κ εψωορδσ
√
1 引言 Ιντροδυχτιον
机器人在很多领域代替人发挥着重要的作用 但目前机器人多为串联悬臂结构 刚度差 定位精度 不高 因此目前并联结构机器人正越来越多地被研 究和应用 并联机构具有高刚度! 低重量! 高负载能 力!无误差积累等特点 同时有较高的位置精度和较 少的能量消耗 其缺点是工作空间较小 柔索驱动并 联机器人指的是采用柔索代替连杆作为驱动元件的
并联结构机器人 它结合了并联结构和柔索驱动的 优点 既具有并联结构高刚度! 高精度! 高负载能力 的优点 又具有柔索机构低重量的优点 同时 由于 没有铰链转角的限制 增加了工作空间
柔索驱动并联机器人是 年代发展起来的新 型机器人 迄今为止 各国学者进行了大量关于柔索 驱动并联系统的研究 研制了多种形式的柔索并联 机器人≈ ∗
第 卷第 期 年月
机器人 ΡΟΒΟΤ
∂
文章编号
2
22
柔索驱动三自由度球面并联机构运动学与静力学研究Ξ
张 波 战红春 赵明扬 刘红军 单光坤
中国科学院研究生院
中国科学院沈阳自动化所机器人学重点实验室 沈阳 沈阳工业大学 沈阳
摘 要 柔索驱动并联机器人采用柔索代替连杆作为机器人的驱动元件 它结合了并联结构和柔索驱动的优
Σ Βμ
Ι Β Β Κε
其中 Β 为 Β 的广义逆 方程右边第二项为柔索产生
《并联机构解耦机理研究与仿真分析》范文
《并联机构解耦机理研究与仿真分析》篇一一、引言并联机构是一种具有多个分支的机械结构，广泛应用于各种自动化设备和机器人中。
然而，由于机构内部的耦合现象，其控制与操作往往面临一定的困难。
解耦技术作为解决这一问题的重要手段，其研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
本文旨在探讨并联机构的解耦机理，并通过仿真分析验证其效果。
二、并联机构解耦机理2.1 并联机构特点并联机构由多个分支组成，各分支之间通过连接点与工作平台相连。
这种结构使得机构具有较高的刚度和承载能力，同时也有利于实现复杂运动轨迹的精确控制。
然而，由于分支间的相互影响，机构内部存在耦合现象，导致控制难度增加。
2.2 解耦机理解耦的目的是将并联机构中的耦合关系转化为相互独立的关系，以便于控制。
解耦方法主要包括物理解耦和数学解耦两种。
物理解耦主要通过优化机构的结构设计来实现，如调整分支的长度、角度等参数。
数学解耦则是通过引入适当的数学模型和算法来消除耦合关系。
本文重点研究数学解耦方法。
在数学解耦过程中，首先需要建立并联机构的数学模型。
然后，通过分析模型的耦合关系，确定解耦的目标和策略。
最后，利用优化算法对模型进行优化，实现解耦。
三、仿真分析3.1 仿真模型建立为了验证解耦机理的有效性，本文采用仿真软件建立了并联机构的仿真模型。
模型中包含了机构的各个分支、连接点以及工作平台等部分。
同时，还考虑了机构的动力学特性和运动学特性。
3.2 仿真过程与结果在仿真过程中，首先对未解耦的并联机构进行仿真，观察其运动过程中的耦合现象。
然后，应用解耦方法对机构进行优化，并对优化后的机构进行仿真。
通过对比仿真结果，可以明显看到解耦后的机构在运动过程中更加稳定，耦合现象得到明显改善。
此外，我们还对机构的运动精度、响应速度等性能进行了分析，结果表明解耦后的机构具有更好的性能。
四、结论本文研究了并联机构的解耦机理，并通过仿真分析验证了其效果。
结果表明，通过数学解耦方法可以有效消除并联机构中的耦合关系，提高机构的运动稳定性和性能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
球面并联机构运动学解析与控制系统研究王洋,倪雁冰,黄田,张玉明(天津大学机械工程学院,天津300072) 摘 要:结合基于球面并联机构的数控回转台的开发,推导出其运动学正、逆解模型的解析表达,并根据并联机构虚实映射的特点,提出在二次(粗、精)插补策略的基础上,采用“双缓存原理”,以“PM A C+PC”为硬件平台,设计并开发了球面并联机构数控系统.该方法对各类并联机床数控系统的开发具有指导意义.关键词:并联机构;实时插补;多轴运动控制器中图分类号:T P273 文献标识码:A 文章编号:0493-2137(2002)01-0005-05 并联机构作为新型传动进给机构已逐渐应用于机床业.采用可实现三平动的并联机构作为主进给机构实现刀具平动以及纯转动的球面并联机构作为辅助机构实现工件的转动,这种并-串-并构型可有效地克服六自由度纯并联机构实现姿态能力差的缺点,且能充分发挥并联机构可重组性强的优势. 从机构运动学观点上看[1],并联机构动角台在操作空间中的运动是关节空间伺服运动的非线性映射(又称虚实映射),因此,传统数控系统不能直接应用于并联机构的控制.且由于不同构型的并联机构逆解方程和结构参数不尽相同,故数控系统的建造必须采用开放式的体系结构. 结合国家“836”高技术发展项目,以开发基于球面并联机构的数控回转台为目标,为此建立了高效的运动学正、逆解析模型,在粗、精插补策略的基础上,采用“双缓存原理”开发了球面并联机构数控系统.该系统已成功应用于该数控回转台.1 机构传动原理 如图1所示,研究的球面并联机构采用角台构型,由静角台、动角台、以及3组连架杆和连杆构成的支链组成.其中,固连在静角台上的伺服电机通过减速装置与连架杆、连架杆与连杆、及连杆与动角台间用转动副铰接,各转动副轴线汇交与球面中心——动角台的转动中心(图3点O).在伺服电机的驱动下,动角台可实现绕过球面中心任意轴线的三维转动.图1 球面并联机构Fig.1 Mechanism diagram of sphericalparallel manipulator 2 运动学正、逆解析2.1 动角台姿态描述 球面并联机构动角台的姿态可由连体系Ox′0y′0z′0相对于固定参考系Ox0y0z0的姿态来描述,系Ox′0y′0z′0和Ox0y0z0间的变换可通过三次有序旋转实现.如图2所示,首先令系Ox′0y′0z′0与系Ox0y0z0重合,然后将系Ox′0y′0z′0绕与系Ox0y0z0中和x0轴呈现夹角j1的直线L逆时针转动角j2,得到系Ox"0y"0z"0;然后再将系Ox"0y"0z"0绕z"0轴逆时针转动O角.据此可得到以j1、j2 天津大学学报 第35卷 第1期2002年1月J O U RN A L O F T IAN JIN U N IV ER SI T Y V o l.35 No.1 J a n. 2002收稿日期:2001-04-03. 基金项目:国家“863”高技术发展计划(836-511-943-006),国家自然科学基金(59775006),教育部博生点基金(97005607)资助项目. 作者简介:王 洋(1975-),男,博士.和j3为进动角、章动角和自旋角的动欧拉矩阵R00=Rψ1,Z Rψ2,L Rψ3,z"0=cos j1cos j3-sin j1cos j2sin j3 -co s j1sin j3-sin j1cos j2cos j3 sin j1sin j2sin j1cos j3+cos j1cos j2sin j3 -sin j1sin j3+cos j1cos j2cos j3 co s j1sin j2 sin j2sin j3 sin j2cos j3 co s j2(1)式中,j3=O-j1.为了避免支链干涉,约束动角台旋自旋自由度,使自旋角j3=-j1,即仅允许动角台提供绕垂直于z′0轴的任意轴转动.图2 动角台姿态描述Fig.2 Orientation descript ion of movable platf orm2.2 逆解模型 在进行动角台运动控制时,需要事先将给定的姿态信息变换为伺服系统的控制指令,以驱动并联机构实现期望运动,为此需要建立并联机构的位置逆解模型.位置逆解分析涉及当已知机构尺度参数和动角台的姿态,反求伺服电机的转角. 动角台角点矢量w i相对于初始位形时w io的姿态可表示为 w i=R00w i0, i=1,2,3(2) 由于V=90°,故在定角台上建立固定坐标系,原点设在O点,以u1、u2、u3分别为x、y、z轴(如图3).即 u1=[100]T,u2=[001]T,u3=[010]T(3)易知 v1= 0-sinθ1 cosθ1, v2=-sinθ2 co sθ2 0, v3= cosθ3 0-sinθ3(4) 当机构处于初始位形时 w10=-u3, w20=-u1, w30=-u2(5)由v i w i=0(6)并结合式(4),可以得到 ta nθ1=w1z/w1y, tanθ1=w1z/w1y, ta nθ1=w1z/w1y(7)图3 初始位型机构示意Fig.3 Mechanism diagram of original orientation2.3 正解模型 对动角台运动进行控制的同时,还需要对伺服系统的控制指令进行实时监控,使操作者通过人机界面掌握当前动角台的姿态信息,这一点在手动操作中尤为重要.为此需要建立并联机构的位置正解模型,即根据机构尺度参数和伺服系统的反馈信息(伺服电机的转角),确定动角台的姿态. 将式(3)、(5)代入式(2),可以得到由3个欧拉角j1、j2和j3确定的关于w i的表达式,将其代入式(6)并结合式(4),得到 -sinθ1(sin j1sin j3-cos j1cos j2co s j3)-co sθ1sin j2co s j3=0(8) -sinθ1(sin j1sin j3-cos j1cos j2co s j3)+co sθ2(-sin j1cos j3-co s j1co s j2sin j3)=0(9) -co sθ3sin j1sin j2+sinθ3cos j2=0(10)式(8)、(9)可以写成 A1co s j3+A2sin j3=0 B1cos j3+B2sin j3=0(11)式中: A1=sinθ1co s j1cos j2-cosθ1sin j2 A2=-sinθ1sin j1·6·天津大学学报 2002年 第35卷 第1期 B 1=sin θ2cos j 1-co s θ2sin j 1 B 2=-(sin θ2sin j 1cos j 2+cos θ2co s j 1co s j 2)由式(11)可知A 1B 2-A 2B 2=0(12)即 -sin θ1sin j 1(sin θ2cos j 1-cos θ2sin j 1)+ co s j2[(sin θ2sin j 1sin θ1cos j 1+ co s θ2cos 2j 1sin θ1)cos j 2- (sin θ2sin j 1co s θ1+ co s θ2cos j 1cos θ1)sin j 2]=0(13)若cos j 2≠0,式(13)可以写成 -sin θ1sin j 1(sin θ2cos j 1-cos θ2sin j 1) (1+tan 2j 2)+(sin θ2sin j 1+ cos θ2co s j 1)(sin θ1cos j 1- tan j 2cos θ1)=0(14)由式(10)知,若cos j 2≠0,则 ta n j 2=tan j 3sin j 1(15)将式(15)代入式(14),令 co s j 1=1-T 21+T 2, sin j 1=2T 1+T 2 T =ta n j 12整理,得 aT 2+2bT +c =0(16)式中 a =sin θ1sin θ2ta n 2θ3+co s θ1cos θ2tan θ3 b =sin θ1cos θ2+sin θ1cos θ2tan 2θ3- sin θ2cos θ1tan θ3 c =-(sin θ1sin θ2tan 2θ3+cos θ1co s θ2tan θ3)解出j1、j 2和j 3,即可得到动学正确.3 系统硬件平台 该控制系统是研华工控机的IS A 总线上插入PM AC 板,由PM AC 完成机构运动轨迹高精度控制的开放式控制系统.同时用3台Panaso nic 交流伺服单元作为执行机构.图4示出了该系统的硬件体系结构.4 插补策略 由于并联机构动角台在操作空间的运动与关节空间的伺服运动存在非线性映射,故不能用操作空间中给定的运动轨迹直接驱动并联机构.在以工控机和多轴运动控制器(PM AC)为核心搭建的硬件平台上,采用了如下二次插补(粗、精插补)策略: 1)根据加工精度要求,以及多轴运动控制器提供的插补速率,将运动轨迹在“时间轴”上离散为操作空间中的点序,该过程相当于传统数控的粗插补. 2)利用并联机构姿态逆解模型,对上述离散点序实施虚实变换,得到关节空间各伺服轴的相应散点序,并将其转换为PV T 格式,送入多轴运动控器(PM AC 板)的循环缓冲区. 3)利用PM AC 所提供的PV T 插补模式,对伺服轴上的离散点进行细分,并通过伺服放大器驱动电机和并联机构按预定轨迹运动,该过程相当于传统数控的精插补.图4 硬件平台Fig .4 Architecture of hardware5 实时多任务调度 为了与传统机床数控编程一致,使传统数控的N C 代码直接应用于并联机床的控制,为此提出“双缓存原理”,即开辟2个缓冲区“轨迹缓冲区”和“插补缓冲区”,轨迹缓冲区用于存放轨迹信息,插补缓冲区存放插补信息.利用两级缓冲区的缓冲机制,协调各任务的运行,实时地完成N C 代码的“粗插补”,并将离散点进行虚实变换,得到关节空间的关节运动轨迹,同时利用中断下载驱动信息,进而实现对并联机构的实时驱动.5.1 任务划分 任务划分是把各个相对独立的事件划分为不同的任务.划分原则是将功能相对独立,并能与其它程序同时执行的程序划分为一个任务.据此,可将其划分为前台实时任务和后台循环任务两大类.5.1.1前台实时任务 任务1:PM AC 底层实时插补及实时伺服控制.利·7· 天津大学学报 王洋等:球面并联机构运动学解析与控制系统研究用PM AC 产生的中断,从插补循环队列(DPRAM 的循环缓冲区)中取出插补轨迹段,实时发送给伺服系统. 任务2:速度控制.从轨迹文件结构中获取原始轨迹段信息,并进行速度过渡处理,将经过速度处理后生成的轨迹信息送入轨迹循环队列中. 任务3:操作空间粗插补.从轨迹段循环队列中取出原始轨迹段信息,并在操作空间中进行插补计算,调用姿态及速度逆解生成关节空间的控制变量,每次处理一个插补点.将插补生成的数据转换为PV T 格式,并写入插补循环队列.5.1.2后台循环任务 任务4:程序显示更新.主要完成程序行的滚动和当前运行程序行的闪烁,以及该段程序的辅助代码信息的显示. 任务5:机构和伺服状态的显示.实时采集刀具当前姿态和速度的信息,并完成姿态的实时显示及运动轨迹的实时仿真.同时进行机构伺服系统相关信息的显示,对伺服系统进行实时监控.5.2 任务的调度 任务的调度是该控制过程的核心.它监控各任务的状态,决定任务获得CPU 的优先权,并根据任务的调度策略改变任务的状态,或让其运行,或让其挂起等待. 1)任务1:定时启动,优先级最高.当插补缓冲区空时挂起. 2)任务2:条件启动,当轨迹缓部区部分空(满足中断条件)时,任务启动.当轨迹循环缓冲区满时,任务挂起. 3)任务3:条件启动,当插补缓冲区部分空(满足中断条件)时,任务启动.当轨迹循环缓冲区满时,任务挂起. 4)任务4:条件启动,执行新轨迹段时启动. 5)任务5:定时启动,每五个伺服周期启动一次. 根据前述的任务划分,以及任务的调度策略,可将任务的控制流程归纳如图 5.5.3 数据结构 注意到并联机构不但要同时控制多个伺服轴,而且各轴的运动控制都需经过粗插补,以及姿态逆解运算,插补计算量远大于传统数控机床.如果采用传统数控的控制方式,边解释、边运行的控制方式,无疑会使插补时间过长,影响机床速度的提高. 为了克服上述问题采用了预编译方法.该方法的基本手续是,首先提取数控加工程序源代码中的有用信息,并将其抽象为“执行码”的结构形式.这种预处理模式的优点在于:1)执行码结构一致,读取速度快,可大大缩短解释过程,提高插补效率;2)执行码结构固定,可保证数控系统内部的数据格式统一,有利于模块化编程;3)执行码结构可扩展性强,增加参数后不影响原有程序,能很好地满足开放式控制系统的要求.图5 任务控制流程Fig .5 Diagram of task control process执行码主结构定义如下:ty pedef sturct Stu Tra SEGM EN T Tag{ int FileRow;·8·天津大学学报 2002年 第35卷 第1期 int Traty pe; /*0—直线,1—变速直线,2—圆弧,3—变速圆弧,4—结束标志*/ double S/*主轴速度*/ unio n segm ent { LIN Segm ent LinSegm ent;/*直线轨迹段的参数结构*/ CIRCLESegm ent C ir Seg ment;/*圆弧轨迹段的参数结构*/ Ace LINE ARSeg AceLin Seg ment;/*变速直线轨迹段的参数结构*/ Ace CIRCLESeg Ace CAir Seg ment;/*变速圆弧轨迹段的参数结构*/ }sg}Tra SEGM EN T;6 结 论 对并联机构实时控制系统的关键技术进行系统深入的研究,涉及球面并联机构的高效解析算法、并联机构的插补策略、实时多任务调度等内容.研究成果已成功应用于基于球面并联机构的数控回转台,并取得良好的效果. 1)导出了球面并联机构的运动学正、逆解析表达,为数控编程中的虚实变换、实时监控、在线精度补偿提供理论依据. 2)实践结果表明,针对并联机构虚实映射的特点,提出的的二次(粗、精)插补策略,能很好的保证轨迹精确性. 3)针对并联机构轨迹控制插补计算量大的特点,将数控加工程序的源代码抽象为可执行码,并提出这种执行码的统一结构形式,有效地提高了插补速度. 4)提出的“双缓存原理”,成功地解决了多任务调度,以及二次插补的实时性问题,在此基础上开发了并联机构实时插补器.参考文献:[1] 汪劲松,黄 田.并联机床—机床行业面临的机遇与挑战[J].中国机械工程,1999,(10):1103—1107.[2] 毕承恩,丁乃建.现代数控机庆[M].北京:机械工业出版社,1991.[3] 王 洋,倪雁冰.3-HSS并联机床插补原理[A].Proceed-ings o f Young Scientists Co nfer ence and th e4th S M W uSymposium on manufacturing Science[C]H a ng zho u,2000,(6):362-365.[4] Hua ng T,Wa ng J S,W hiteho use D J.Closed for m solu-tio n to h ex apod-based v irtual a xis machine to ols[J].ASM E J o f M echanical Design,1999,121(1):26-31. [5] Ko ren Y.Fiv e-axis sur face interpolato rs[J].Annals ofthe CIR P,1995,44(1):379-382.[6] Zha ng Q G,Gr eenway R B.Rea l-time N U RBS t rajec to r yg enera tion for a ro bo t using a n open-ar chitecture co n-t ro ller[A].M IM'97[C],1997:862-866.Kinematics Models and Development of Control System ofSpherical Parallel ManipulatorW ANG Ya ng,N I Yan-bing,HU ANG Tian,ZHAN G Yu-ming,(Scho ol of M echanical Engineering,Tia njin U niv ersity,Tianjin300072,China)Abstract:This paper deals with the methodolog y fo r dev elo ping the N umerical Contr ol System fo r the CN C of the par allel mecha nism.The analytica l r epresenta tio ns o f the for wa rd a nd inv e rse kinema tics a re fo rmulated,which lay a so lid fo undation of the coo rdinate transpo sitio n.sim ulatio n and err or compensa tio n.The alg orithm w hich can be implememted in tw o steps,i.e.the ro ug h interpolatio n in the Car tesian space and the precise interpolatio n in the ac-tua to r space is pr oposed.With the idea of"do uble buffefr th eor y",the CN C so rtw ar e is dev eloped o n the basis o f "PC+PM AC"har dw ar e platfo rm.The effectiv eness o f this methodolog y has been ex w mplified by th e successful a p-plica tio n to a r o ta po d-ba sed pa ralles mechanism.Keywords:para llel mechanism;real-time inter po la tio n;prog r ammable m ulti-axis co ntro ller ·9· 天津大学学报 王洋等:球面并联机构运动学解析与控制系统研究。