针对空间三平移并联机构输入/输出强耦合所引起的实时控制的问题,根据方位特征(Position and orientation characteristic,POC)方程的并联机构拓扑设计理论和方法,提出一种零耦合度的三平移并联机构,机构由2条CPR和1条UPU支链构成,有解析式位置正解、耦合度低、较好的运动灵巧性能、工作空间大等特点。分别对方位特征集、自由度、耦合度等主要拓扑特性进行计算,建立运动约束方程并得到机构输入、输出位置解析式。研究奇位异形发生的条件,并分析以雅可比矩阵条件数倒数的灵巧度和动平台执行末端的操作空间等运动性能指标,最后,以机构的全局灵巧度作为优化目标,选择蝗虫优化算法(Grasshopper optimization algorithm,GOA)进行尺寸参数的优化设计。为该并联机构结构设计和高精度位置控制提供理论参考依据。

提出一种支链含平行四边形结构的新型PRPaR-2CPR并联机器人机构,机构由1条PRPaR支链和2条CPR支链构成,具有结构简单、耦合度低、刚度高特点。基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论和方法,对自由度和运动性质进行分析计算,利用杆长约束条件建立运动学方程,计算得到逆解表达式,同时得到正解数值解。另外,根据雅克比矩阵分析出奇位性存在条件,通过位置逆解表达式,运用极限边界搜索法分别得到工作空间和运动灵巧度性能图谱,绘制相应性能图谱加以分析,期望在有限的操作空间范围内获得更好的运动灵活性性能。以任务工作空间内的全局灵巧度作为优化目标,选择遗传优化算法进行结构参数的优化设计。优化后的任务工作空间内灵巧度性能得到极大的改善,使此并联机构运动性能得到改善。

针对并联机构强耦合性导致的运动学分析复杂、控制难度大、工作空间小等问题,设计了一种新型四自由度并联机构。采用螺旋理论分析了机构的运动特性,得知该机构具有两转动两移动自由度,可由4个移动副驱动;建立了机构的位置数学模型,得到了位置反解表达式,分析了运动部分解耦特性;对机构进行了速度分析,推导了速度雅可比矩阵;基于雅可比矩阵对机构进行了奇异分析,得到了机构的奇异位形;分析了机构的条件数指标,通过添加冗余驱动分支消除了奇异位形,提升了机构的条件数性能,并验证了该机构具有较大的工作空间。

根据基于方位特征集的并联机构拓扑结构设计理论和机构结构降耦原理,设计了一种低耦合度的3T1R运动解耦并联机构。首先,对一种耦合度κ为2的3T1R并联机构进行了结构降耦设计,得到了耦合度较低(κ1=1,κ2=0),但自由度和末端执行件输出运动类型均保持不变的新机型;又对其进行了运动解耦性分析,表明机构具有部分运动解耦;然后,导出了机构位置正、逆解方程和雅可比矩阵;最后,基于雅可比矩阵分析了机构奇异性,并进一步对该并联机构可达工作空间和转动能力进行了分析,得到了机构无奇异工作空间区域。结果表明,降耦机构具有结构简单、无奇异工作空间形状规则、体积大,且全工作空间所有位置的转动能力一致等特点,克服了一般并联机构耦合性强、控制复杂的弱点,具有较好的工业应用前景。

根据基于方位特征集方程的并联机构拓扑结构设计理论,设计出一种运动解耦、低耦合度(κ=1)且具有较大转角的新型选择顺应性装配机器手臂并联机构(RPa3R)2R-2RSS,并对该机构进行拓扑特性分析。基于序单开链运动学建模原理,给出了该机构位置正解封闭解的代数法,同时导出机构位置反解,验证了位置正解的正确性。基于位置反解,对该机构的工作空间、转动能力和奇异性进行了分析。

提出一种非全对称的三平移一转动（3T1R）的并联机构,并对其进行拓扑特性分析,发现其耦合度κ较大（κ=2）,这表明其位置正解求解复杂。为此,对该机构进行拓扑结构降耦设计,得到一种低耦合度（κ=1）但基本功能（动平台输出方位特征和自由度）不变的降耦机构;然后,根据基于序单开链的机构运动学建模原理,给出了该降耦机构位置正解的一维搜索求解算法及其数值解;通过导出的位置反解公式,对该降耦机构的工作空间、转动能力和奇异性进行了分析。该降耦机构结构简单、制造容易、工作空间大、转动能力强。