髋关节是人体重要的负重关节之一,其容易受损伤。为帮助髋关节患者早日康复并实现自由行走,提出一种2-UPS/RRP调心式髋关节康复机构。基于螺旋理论建立了机构的螺旋矩阵,采用位置矢量法求出机构的位置逆解。利用三维动态法将数据点导入MATLAB中,求出了机构的工作空间。利用ADAMS对机构进行前屈/后伸和内收/外展的康复仿真。结果表明2-UPS/RRP调心式髋关节康复机构具有3个自由度,工作空间呈实心曲面状,机构前屈/后伸和内收/外展的角度分别可达58°/58°、19°/28°,可满足髋关节患者的需求。机构的调心功能保证了人机转动中心的一致性,使得康复过程更加安全。

分析了共形几何代数的计算特征和共形几何代数在位置正解与位置逆解中的应用,探讨了共形几何代数在刚柔耦合并联机构和冗余驱动并联机构中的应用潜力。研究表明共形几何代数可以将机构的几何结构与运动联系起来,具有较强的几何直观性且能够简化位置解计算过程。

针对包装生产线上盒体粘接工序,提出了一种2-PSR/PUPR并联机构,用于解决生产线上半成品的上胶问题。首先基于螺旋理论对机构的自由度进行计算,分别使用封闭矢量法和D-H法进行机构的位置逆解分析。其次在MATLAB中输入数据运行程序得到可达工作空间。最后给出了盒体上胶的实例分析,证明了机构的可行性。

设计了一种基于R+(3-CPR)+U混联机构的四足机器人。运用螺旋理论求解R+(3-CPR)+U混联机构的自由度;采用RPY坐标变换求解了该机构的位置逆解,通过三维动态法求解了该机构的工作空间。对四足机器人的稳定性进行了研究,推导出足端尺寸与稳定裕度、最大纵向步距和最大横向步距之间的关系;设计了一种复合足端轨迹,通过SolidWorks软件验证了该足端轨迹的可行性。研究结果表明,该四足机器人运动过程中,能保证足端底面与地面平行接触,提高了机器人在农田等松软地面的通过性。

针对传统汽车驾驶模拟器价格昂贵难于普及的现状,研究了一种基于并联机构的三自由度汽车驾驶模拟器。对驾驶模拟器的运动平台机构进行了逆解分析,设计了运动和人机交互控制程序。使用Adams进行运动学和动力学的仿真,对比正逆解仿真数据得出驾驶模拟器的运动特性和动力性能,验证了逆解分析的正确性和平台运动的安全性。利用Visual Studio2013和OpenGL图形工具包设计了三个自由度的模拟驾驶实景软件,用户可在三维沉浸立体显示环境下模拟真实驾驶行为,完成对模拟器的人机交互实时控制。进行了物理样机试验,试验结果表明驾驶模拟器能够实时模拟汽车的各种运动,以较低的成本获得了较逼真的驾驶体验。

针对于当前货物分拣费时、费力、准确度低等问题,提出了一种UPS/UPR/SP并联机构,考虑将其应用于包装分拣领域以解放双手。首先,采用螺旋理论分析了UPS/UPR/SP并联机构的自由度,并基于改进的Kutzbach-Grübler公式对该机构的自由度进行了分析和验证;然后,采用粒子群优化算法(Particle swarm optimization,PSO)以及封闭矢量法对该机构的位置正逆解进行求解,并运用极限搜索法在Matlab软件中求解出该机构的可达工作空间;最后,将该机构具体应用于位置累计精度要求高的快递分拣工作中。结果表明,UPS/UPR/SP并联机构具有二转动一移动3个自由度,动平台末端运动精确,工作空间连续且无间断;研究的机构运动灵活,完全满足快递物流的货物分拣工作。

提出了一种基于4-CRR并联机构的玉米穴播机。运用螺旋理论求解4-CRR并联机构的自由度,采用修正的Kutzbach-Grübler公式进行验证;采用等效平面投影法求解该机构的位置逆解,推导出机构的Jacobian矩阵并对其进行了速度分析;对应用于穴播机的4-CRR并联机构的杆长取值范围进行分析,通过极限边界搜索法求解了杆长为250 mm的机构的工作空间。该机构动平台可实现沿3个坐标轴方向的平移运动,工作空间内部连续,可在穴播机下方形成一个300 mm×300 mm的可调整播种区域。基于4-CRR并联机构的穴播机可根据田间土壤情况的不同,灵活调整播种位置,改变种植密度,达到玉米增产增收的效果。

针对物流行业需要对大量商品快速分拣、包装的需求,提出了一种(2-RRR&RPR+R)&URS型4自由度并联机构,该机构由静平台、动平台、URS支链、以及与带有R副的连接平台相连接的两条RRR支链和RPR支链组成。首先,运用螺旋理论对机构自由度进行分析,求得该机构可实现两转两移的4自由度运动;随后,采用解析矢量法对其进行位置逆解分析,运用数值搜索法并结合位置逆解方程求得工作空间,分析了机构的工作性能;最后,通过Matlab对位置逆解方程进行仿真,并利用Adams对求解结果进行验证,验证了机构逆解模型的正确性以及机构运动的可实现性。结果表明,该机构能沿X轴方向大范围移动,在Y轴方向可实现大角度转动,可以代替物流行业的人工操作,提高工作效率。研究结果可为机构的进一步动力学分析与应用提供理论基础。

设计了一种可以实现两移一转的新型3自由度并联机构3-UPS/RPP。该结构在传统的3-UPS结构基础上加入了一条RPP结构的约束支链,应用螺旋理论分析约束链得知,该3-UPS/RPP并联机构可实现平面内的一维转动和二维移动。在自由度分析的基础上,构建了3-UPS/RPP并联机构的运动学模型,通过对驱动支链和约束支链的分解分析,给出了3-UPS/RPP并联机构位置逆解的解析表达;随后,基于位置逆解结果,确定了工作空间的搜索流程,并据此在Matlab软件中求解了该机构的工作空间;最后,对该3-UPS/RPP并联机构进行了运动学控制仿真。结果表明,系统具有较高的动态轨迹跟踪控制精度,适用于实际应用。

提出一种由空间三自由度并联机构和二自由度运动平台组成的混联机床构型，运用螺旋理论分析机构的运动原理，算出了自由度，对机构驱动输入的合理性进行验证。采用闲环矢量法和速度映射关系，对该机床的运动学特性分析，给出了该机构的位置逆解，确定驱动杆和动平台之间的位姿关系。在此基础上，分析了速度性能及姿态空间，得到机构速度Jacobian矩阵。通过运动学仿真，验证了机床运动学分析的正确性，研究表明，具有该结构的机床具有较大的工作空间，实现对大型工件的精密加工。