3支链6自由度并联机构运动学研究

为了使并联机构在三维空间完成3个转动和3个移动的动作,可以进行全方位的运动,课题组提出了6自由度2PPRS RPRS并联机构。课题组描述了该并联机构的构型,建立了机构的运动坐标系;利用螺旋理论求解了机构自由度,并运用修正Kutzbach Grüble公式验证了自由度求解的正确性;根据支链与定、动平台间的相对姿态关系,推导了支链平面方程,并结合杆长不变条件,推导获得了该6自由度并联机构全部位置逆解的解析解;并基于三维边界搜索法,求解绘制出了机构的可达位置工作空间;最后,通过SolidWorks/Simmechanics的三维运动/参数可视化联合仿真,得到了机构的驱动位移相对时间的变化曲线。研究结果表明该机构构型设计、自由度分析正确,得出了该机构在三维空间内的运动学输入、输出的变化规律。     

曲柄群机构自由度计算的旋量法

由于曲柄群机构的曲柄个数和任意2个曲柄间连杆个数的不确定性，传统方法计算该机构的自由度会遇到虚约束判断等问题。课题组在分析了曲柄群机构基本单元运动特性的基础上，定义了连杆桁架；基于连杆桁架的概念，总结了不同拓扑结构形式的曲柄群机构在结构上的统一性；利用旋量理论计算了含任意多个曲柄的曲柄群机构的公共约束数及冗余约束数，并计算得出含任意多个曲柄的曲柄群机构自由度。计算结果表明，利用旋量理论和连杆桁架概念简化了曲柄群机构的构件数，避开了繁琐的计算。研究实现了对含任意多个曲柄的曲柄群机构自由度计算的统一。     

基于空间闭链连杆机构的可折展手爪设计

为了解决多关节手指和手爪多为刚性连接而运动范围有限等问题，课题组基于单自由度面对称Bricard空间闭链连杆机构，提出了一种手指单关节驱动机构。将多个单关节驱动机构串联，组合为一个单自由度的多关节手指驱动机构；进一步，通过课题组提出的单自由度同步驱动副，可同步驱动手爪中的3根多关节手指同步开合、抓取目标物体；在进行可折展手爪的运动学分析和参数求解之后，完成了可折展手爪的样机实验。验证结果表明提出的可折展手爪驱动机构设计合理、抓取性能可靠。     

基于少自由度主动支链的2R1T并联机构

针对空间串联机构的工业机械臂在执行加工操作任务时，普遍存在刚度强度较差、重复精度较低、能耗较高等缺点。基于3条少自由度主动支链，课题组设计了一种具有2R1T自由度的2 RPU/RPS并联机构。计算并验证了2 RPU/RPS并联机构的自由度，获得了解析形式的位置逆解，证实了该机构仅可能发生运动学正解奇异；依据课题组提出的基于边界数值搜索法的工作空间求解流程，证实了动平台具有沿X方向约80°的较大姿态转动范围；通过SolidWorks虚拟运动仿真获得了2 RPU/RPS并联机构驱动位移变化曲线。仿真结果表明：机构各驱动位移变化曲线均波动较小且在合理取值范围，说明驱动器运转平稳、能耗较低。本研究可为基于并联机构的复杂曲面工件多轴加工装备研发提供有益的参考。     

基于2UU UPU并联机构的4足机器人设计

针对串联4足机器人负载能力低及由误差累积导致的控制精度低的问题，课题组采用2UU UPU并联机构作为4足机器人大腿基本构型，并在动平台上添加一长杆作为小腿结构设计了新型4足机器人。首先基于修正的Kutabach Grübler公式计算单腿机构的自由度并进行验证；其次利用几何关系求解该结构的逆解表达式；然后基于结构的约束条件，借助MATLAB软件求得该并联机构的工作空间；接着在SolidWorks中建立4足机器人的三维模型；最后进行4足机器人的步态规划和仿真分析。结果表明：该机构工作空间大，运动平稳，控制方便，适合作为4足机器人腿部结构。该研究在工程上有一定的实用性。     

轮腿可变式移动机器人的结构设计

针对移动机器人在复杂多变环境下执行搜救侦察任务时机动性、越障性存在的不足，课题组提出了一种新型轮腿可变式移动机器人的设计方案。课题组通过对变径机构的设计使得机器人可以实现轮式和轮腿式2种工作模式的自如变换；采用修正的Kutzbach Grubler公式对变径机构自由度进行了分析；利用速度瞬心法对移动机器人以轮式模式工作时进行运动学求解；利用拉格朗日法建立了移动机器人的动力学模型；最后通过ADAMS软件对移动机器人进行仿真实验分析。研究结果表明：该机器人整机结构设计合理，运动平稳，具有较强的机动性与地形适应性。该研究弥补了单一运动模式的机器人在地形适应能力上的不足。     

折纸启发的空间可折展末端执行器设计

为解决多自由度可折展机构及折纸机器人等末端执行器的控制问题，课题组提出了一种外部链节间接控制刚性折纸机构的方法。该方法中的机构无需组装，降低了系统的复杂性，且单自由度驱动可使得刚性折纸机构可逆地折叠和展开。课题组将刚性折纸机构与单环闭链机构进行结合，提出了一种空间可折展末端执行器；该末端执行器采用3个固接Bricard机构为外部链节，只需要1个旋转驱动即可控制空间3自由度末端执行器的折展过程。课题组首先对外部链节进行了运动学分析，然后对外部链节进行驱动设计，最后对整个末端执行器进行仿真实验分析。结果表明在外部链节的控制下，能够实现单个驱动控制3个自由度末端执行器的同时收放，验证了理论分析的正确性。用外部链节控制刚性折纸机构的方法只需要最小的驱动力可实现复杂的运动。     

仿人关节并串结构位姿求解算法研究

针对用于脑卒中患者上肢的康复训练，针对肩关节和肘关节运动的特点，课题组提出了一种6自由度仿人关节并串机构。该结构是由2种不同位姿并联机构进行并串组合而成，课题组利用Kutzbach Grüble公式对其进行了自由度的求解；采用解析法对该机构进行位姿分析研究，运用了球面三角形余弦定理来分析机构运动中弧形杆弧长不确定的情况；采用分部求解法把整体问题拆分成2个互有关联的部分进行求解。结果表明：与传统的对整体结构直接求解的方法相比，课题组采用的求解算法大大减小了求解的计算量。文中研究的方法适用于同类型位姿分离的并串组合，对其他同类型结构的位姿分析具有参考意义。     

并联式太阳跟踪机构设计与尺寸优化

为实现聚光光伏系统的高效跟踪作业，课题组提出了一种可用于太阳跟踪，且具有刚度高、解耦性好及结构简单特点的2 DOF U RRU RUS并联机构。首先，运用螺旋理论对并联机构的自由度进行了验证；其次，根据并联机构的几何约束条件构建了运动学逆解模型，并通过对速度雅克比矩阵进行分析可知该机构为解耦机构；然后，基于太阳方向角与机构欧拉角的映射关系，采用数值离散搜索法得到了并联机构的工作空间，并提出了一种工作空间评价指标；最后，基于聚光光伏系统对并联跟踪机构的性能要求，以机构的灵巧度和工作空间指标为尺寸优化的目标，采用遗传算法对主动杆、从动杆和动平台的尺寸进行多目标优化。结果表明优化后并联机构的灵巧度和工作空间都有所提升。虽然优化后并联机构的工作空间在高度角为0°~30°的区域并未完全覆盖太阳轨迹区域，但未覆盖的面积集中在一天中辐照度较低的区域。     

4PRR P混联加工机构运动学研究

由于平面并联机构存在着动平台灵活度低，容易产生机构奇异，工作空间小等缺点，课题组提出了一种新型4PRR P混联 加工机构。基于螺旋理论验证了机构的自由度特征，建立了机构位置逆解数学模型，确定了机构的奇异位形。采用数值搜索法求解了机构的工作空间，通过考察 各尺度参数对工作空间的影响，优选得到了机构的关键尺度参数。相关数值计算及运动仿真结果表明该机构可以解决平面并联机构存在的灵活度低、容易产生机 构奇异、工作空间小等问题。文中运动学模型及性能分析结论合理正确，相关成果可为机构动力学分析、结构设计提供参考。