少自由度并联机构性质及应用

本书以移动Jacobian 矩阵和转动Jacobian 矩阵为基础，结合CAD 变量几何技术，对少自由度并联机构，特别是3、4 自由度并联机构的运动学、奇异位形和工作空间等进行了介绍。结合工业实际，将少自由度并联机构应用于玻璃搬运领域，综合出新型并联玻璃搬运机械手，并介绍样机研制与调试。本书对读者系统掌握少自由度并联机构的研究方法具有一定的指导意义，同时也为少自由度并联机构在其他领域的应用提供了重要思路。 本书适合从事机器人特别是并联机器人研究与开发的科研工作者与工程技术人员使用，也可供高等院校相关专业师生参考学习使用。

石岩，机械电子工程专业博士，第三届全国水利职教教学新星，河北省优秀教师，“河北省三三三人才工程”三层次人才。主要研究方向为机器人机构学理论与应用，主研、主持完成国家、教育部、省市级项目等9项，包括国家自然科学基金项目“具有被动分支自由度为3和4并联机器人机构综合与性质研究”、教育部博士点基金项目“可变式少自由度并联机器人机构性能的理论研究与实验综合”、河北省高等学校科学技术研究重点项目“高可靠性平板玻璃上下片机械手关键技术研究”等。基于研究工作发表论文30余篇，其中SCI检索9篇，中文核心期刊12篇；编写教材5部；获国家实用新型专利授权17项。主研完成的项目获2015年度河北省自然科学三等奖。

第1章绪论001 1.1并联机器人的起源和发展002 1.2少自由度并联机器人的应用006 1.2.1三维移动并联机器人的应用006 1.2.2三维转动并联机器人的应用008 1.2.3具有混合运动少自由度并联机器人的应用009 1.2.4专用机械手对少自由度并联机构的应用需求011 1.3少自由度并联机构的研究现状013 1.3.1几种特殊构型的少自由度并联机构研究概述013 1.3.2少自由度并联机构运动学研究现状016 1.3.3少自由度并联机构奇异位形研究现状017 1.3.4少自由度并联机构工作空间研究现状018 1.4本书意义及内容020 第2章少自由度并联机构移/转动Jacobian 和Hessian 矩阵023 2.1概述024 2.2基于移/转动Jacobian 和Hessian 矩阵的少自由度并联机构运动学分析025 2.2.1少自由度并联机构模型简介025 2.2.2少自由度并联机构位置分析025 2.2.3移/转动Jacobian 矩阵及速度分析028 2.2.4移/转动Hessian 矩阵及加速度分析031 2.32SPS＋SPR＋SP 实验台的运动学分析033 2.3.12SPS＋SPR＋SP 机构描述及自由度计算033 2.3.22SPS＋SPR＋SP 机构的位置分析035 2.3.32SPS＋SPR＋SP 机构的速度分析039 2.3.42SPS＋SPR＋SP 机构的加速度分析040 2.3.5数值算例041 2.3.62SPS＋SPR＋X 机构的约束分支综合051 2.4本章小结052 第3章几种少自由度并联机构的运动学分析054 3.1概述055 3.2坐标系的建立与通用公式055 3.3一种平面对称3-SPR 并联机构的运动学分析056 3.3.1平面对称3-SPR 机构描述及自由度计算056 3.3.2平面对称3-SPR 机构的位置分析057 3.3.3平面对称3-SPR 机构的速度和加速度分析060 3.4一种2SPR＋UPU 并联机构的运动学分析065 3.4.12SPR＋UPU 机构描述及自由度计算065 3.4.22SPR＋UPU 机构的位置分析066 3.4.32SPR＋UPU 机构的速度和加速度分析068 3.5一种4 自由度过约束并联机构的运动学分析073 3.5.12UPU＋RRPU 机构描述及自由度计算073 3.5.22UPU＋RRPU 机构的位置分析074 3.5.32UPU＋RRPU 机构的速度和加速度分析077 3.6一种含非直线分支的4 自由度并联机构运动学分析082 3.6.12SPS＋RPRR 机构描述及自由度计算082 3.6.22SPS＋RPRR 机构的位置分析083 3.6.32SPS＋RPRR 机构的速度和加速度分析085 3.7本章小结095 第4章基于移/转动Jacobian 矩阵的少自由度并联机构奇异分析096 4.1概述097 4.23 自由度并联机构的奇异分析098 4.2.13 自由度并联机构的分类及Jacobian 矩阵098 4.2.2三维移动并联机构的奇异分析099 4.2.3三维转动并联机构的奇异分析100 4.2.4具有混合运动3 自由度并联机构的奇异分析106 4.34 自由度并联机构的奇异分析120 4.3.14 自由度并联机构的分类及Jacobian 矩阵120 4.3.23T1R 4 自由度并联机构的奇异分析122 4.3.33R1T 4 自由度并联机构的奇异分析125 4.3.4移动和转动耦合的4 自由度并联机构的奇异分析128 4.4本章小结133 第5章少自由度并联机构的工作空间分析135 5.1概述136 5.2基本概念和方法136 5.2.1一般并联机构及其工作空间136 5.2.2位置空间的通用求解方法137 5.2.3姿态角的描述及求解方法140 5.33 自由度并联机构的工作空间141 5.3.13 自由度并联机构工作空间的描述141 5.3.2一种平面对称3-SPR 并联机构的工作空间142 5.44 自由度并联机构的工作空间144 5.4.1线性驱动的4 自由度并联机构的工作空间145 5.4.2包含转动驱动的4 自由度并联机构的工作空间Ⅰ 148 5.4.3包含转动驱动的4 自由度并联机构的工作空间Ⅱ 150 5.55 自由度并联机构的工作空间152 5.5.12SPS＋RRPRR 机构及其模拟机构152 5.5.22SPS＋RRPRR 机构的可达工作空间153 5.6运动副布置对并联机构工作空间的影响分析155 5.6.1运动副布置及其对工作空间的影响155 5.6.2运动副布置对2SPS＋SPR＋SP 实验台工作空间的影响分析156 5.6.3运动副布置对3-SPR 并联机构工作空间的影响分析158 5.6.4运动副布置对2SPR＋UPU 并联机构工作空间的影响分析161 5.7本章小结164 第6章3 种少自由度并联机构的样机调试165 6.1概述166 6.2平面对称3-SPR 并联机构样机调试167 6.2.1可调式3-SPS 型并联机构实验平台167 6.2.2平面对称3-SPR 并联机构样机调试过程167 6.32SPS＋SPR＋SP 并联机构样机调试169 6.3.1可调式具有被动约束分支3 自由度并联机构简介169 6.3.22SPS＋SPR＋SP 并联机构样机调试过程170 6.42UPU＋RRPU 并联机构样机调试171 6.5本章小结172 第7章几种少自由度并联玻璃搬运机械手的设计173 7.1概述174 7.2一种抑制振动的玻璃上下片机械手的设计与分析174 7.2.1机械手机构简介174 7.2.2机械手模型制作175 7.2.3机械手动力学仿真分析178 7.3平板玻璃上下片机械手执行机构结构设计及动力学分析180 7.3.1总体布局结构设计180 7.3.2执行机构的结构设计181 7.3.3基于SolidWorks Motion 的执行机构动力学分析181 7.4一种减振平板玻璃上下片机械手的设计185 7.4.1上下片机械手机械结构设计185 7.4.2有益效果187 7.5一种高度可调节的平板玻璃转运机械手的设计188 7.5.1转运机械手机械结构设计188 7.5.2有益效果190 7.6基于西门子PLC 的平板玻璃上下片机械手控制系统设计191 7.6.1平板玻璃上下片机械手机构简介191 7.6.2机械手控制的基本要求192 7.6.3机械手控制系统硬件设计193 7.6.4机械手PLC 程序设计194 7.7一种部分解耦并联玻璃搬运机械手样机研制196 7.7.1部分解耦并联玻璃搬运机械手机构简介196 7.7.2样机加工制作198 7.8本章小结198 参考文献200