与串联机构相比,并联机构具有刚度好、精度高、结构稳定紧凑等优点,适用于外科手术领域。提出一种可用于微创手术本体结构的两转动一移动远中心运动(Remote Center of Motion,RCM)(5R)O C-URR并联机构,具有部分运动解耦特性。建立机构位置分析模型,推导出机构位置逆解表达式;在此基础上,针对微创手术工作任务,定义机构期望工作空间。应用局部运动/力传递性能评价指标,给出机构期望工作空间内平均传递指标定义及计算方法。以平均传递指标最大化为目标,建立机构尺度参数约束优化模型,并应用加速灰狼优化(Accelerating Grey Wolf Optimization,AGWO)算法求解该问题。数值实例测试显示,AGWO算法求解约束优化问题的综合性能优于对比算法。机构优化设计结果表明,给出的优化模型和算法可行有效。研究结果为该机构的实际应用奠定了理论基础。

以三移动一转动4-PRP_aR并联机构为研究对象,采用进化多目标算法求解机构尺度综合问题。应用约束旋量理论分析机构自由度,给出了机构位置逆解解析表达式,为机构性能分析奠定基础。建立机构运动和力传递性能评价指标,给出了规则有效传递工作空间(Regular effective transmission workspace,RETW)及其平均传递指标的定义。以最大化RETW半径及平均传递指标为目标,建立机构尺度参数多目标优化设计模型,并应用快速精英多目标遗传算法和差分进化算法相结合的方法求解该问题。给出了机构尺度参数多目标优化设计实例。结果表明,模型和算法可行有效,可为物理样机研制和实际应用提供理论基础。

提出一种对称三移动一转动(3T1R)4-PRPaU并联机构。根据杆长条件,建立机构位置正解模型,再转化为无约束优化问题,并运用差分进化算法求解。推导出机构位置逆解解析表达式,运用机构位置逆解验证机构位置正解的正确性。运用矢量法推导出机构速度、加速度表达式,给定机构尺度参数,并运用Matlab进行数值仿真。同时,运用Adams进行运动学仿真。结果表明,Adams运动仿真曲线与Matlab数值仿真曲线一致,验证了理论推导的正确性。

应用坐标变换原理,推导出球面4R机构连杆点轨迹参数方程。在此基础上,以轨迹误差平方和最小为目标函数,以曲柄存在、杆长协调和传动角限制等为约束条件,建立机构不带预定时标近似轨迹综合的约束优化模型。结合自适应罚函数法,应用社会认知优化(Social Cognitive Optimi?zation,SCO)算法求解该问题。为提高SCO算法的收敛精度和速度,以差分进化(Differential Evolu?tion,DE)操作为邻域搜索算子,设计一种加速社会认知优化(Accelerating Social Cognitive Optimiza?tion,ASCO)算法。给出机构综合实例,轨迹分析结果表明,所建立的模型和提出的ASCO算法可行有效。比较了基本SCO、DE和ASCO算法求解该机构综合实例的优化性能,数值实验显示,ASCO算法的收敛速度、收敛精度和稳健性等性能指标优于基本SCO和DE算法。

以2自由度球面5R并联机构为研究对象,应用教学优化(Teaching-learning-based optimization,TLBO)算法求解机构尺度优化设计问题。首先,采用坐标变换法推导机构位置反解方程,再以传动角为机构运动或力传递性能评价指标,进而给出球面5R并联机构的优质传递工作空间(Good transmission workspace,GTW)定义和数值计算方法。以最大化GTW面积为目标,建立机构尺度参数约束优化模型,并用TLBO算法求解该问题。结果表明,文中给出的优化模型和算法是可行有效的。

含恰约束支链的两转动一移动2PUS-PU并联机构在约束方向无伴随运动,可有效降低控制难度。在机构拓扑结构特征分析的基础上,应用矢量法推导出机构位姿、速度和加速度方程。根据Jacobi矩阵奇异性,考察了机构可能存在的奇异位形。采用方位角和倾摆角描述末端执行器输出轴的姿态,并以机构运动/力传递性能评价指标为基础,给出规则传递姿态工作空间(Regular transmission orientational workspace,RTOW)定义和计算方法。以最大化RTOW半径为目标,建立机构尺度参数约束优化设计模型,并应用粒子群优化和差分进化算法求解机构尺度参数优化设计问题。最后,给出机构尺度优化设计实例。结果表明,模型和算法有效可行。

提出一种能实现三移动一转动(3T1R)的新型完全对称4-CRU并联机构,其4条支链结构完全相同。基于单开链理论及结构降耦原理,对4-CRU并联机构进行结构降耦设计,得到耦合度κ=1的低耦合度2-(CRR)2R并联机构。其优点在于动平台由两条混合支链并联构成,且支链完全对称,机构姿态转角相对较大。2-(CRR)2R并联机构耦合度降为1,极大地降低了机构位置正解的难度,有利于机构运动学分析。根据该机构的几何关系与运动约束,建立位置正解的一维搜索模型,再应用黄金分割法求出全部高精度位置正解。推导出机构位置逆解方程,应用数值实例验证了位置正、逆解的正确性。采用矢量法对机构动平台速度及加速度进行分析,得出速度及加速度正、逆解,并利用MATLAB软件编程进行数值计算。同时,应用Adams进行运动学仿真分析,验证了自由度分析的正确性;其运动学分析曲线与MATLAB...

将智能优化算法与数值迭代方法有机组合,构造一种并联机构位置正解求解的通用算法--混合人工蜂群和Newton迭代(Hybrid artificial bee colony and Newton iteration,HABC-Newton)算法。将差分进化(Differential evolution,DE)算法融入人工蜂群(Artificial bee colony,ABC)算法,形成一种能快速收敛到问题近优解的混合人工蜂群(Hybrid ABC,HABC)算法,再以该近优解为初值,应用Newton-Шамарский迭代法求出高精度位置正解。以4自由度4-SPS-CU并联机构正运动学分析为例,阐述基于HABC-Newton算法的并联机构正运动学分析方法。为了验证算法的有效性和普适性,给出4-SPS-CU、3-RRR两种耦合并联机构位置正解的数值算例。结果表明,HABC-Newton算法能以较少计算开销求得并联机构的全部高精度位置正解。还比较了HABC-Newton、ABC、DE和粒子群算法求并联机构位置正解的性能,数值实验显示,HABC-Newton算法的精度、稳...

Exechon机床的并联模块为3自由度2UPR-SPR机构,是一种两转动一移动并联主轴头。将动平台输出轴设置为偏置形式,可提高姿态能力。采用0扭转角的倾摆—扭转角描述动平台姿态,建立机构位置反解数学模型。在此基础上,以局部传递指标(Local Transmission Index,LTI)为运动/力传递性能评价标准,分析机构优质传递姿态工作空间(Good Transmission Orientational Workspace,GTOW)和优质传递姿态能力(Good Transmission Orientational Capability,GTOC)。给出姿态能力分析实例,并绘制机构LTI,GTOW分布图和优质传递空间曲面。对比分析结果表明,偏置输出轴的GTOC优于正置情形,最佳偏置角对应的GTOC可达46°。

基于方位特征集理论及并联机构降耦原理,设计一种新型混合驱动1T3R结构降耦并联机构,该机构具有局部运动解耦特性。通过对其进行拓扑结构分析,得出动平台方位特征集的类型,计算出机构的自由度及耦合度。运用空间投影原理及位姿变换矩阵方法,推导出机构位置正反解的显式表达式。运用MATLAB软件编程,分别得出机构位置正、反解数值算例,其数值结果完全吻合,表明位置正反解模型正确可靠。运用MATLAB软件编程和Adams软件运动仿真得到机构角位移曲线,两者结果一致,验证了运动理论分析模型的正确性。基于运动仿真三维模型,直接得出机构的角速度、角加速度曲线。