一种弱耦合5-DOF抛磨机械臂的设计

为了实现对风机叶片的抛磨加工，提出一种弱耦合5-DOF并联机械臂，它采用2-UPS+((2-UPS)+U)PU并联机构，对机械臂的机构进行了分析与设计。首先，采用闭环矢量链建立了机械臂的位置模型，并绘制了工作空间分布图。接着，建立了机械臂的运动学传递模型，基于雅可比矩阵结构对机械臂的解耦性进行了分析，并通过定义运动灵活性评价指标，揭示了机械臂的尺寸参数对其运动灵活性影响规律。然后，建立了机械臂的静力学传递模型，通过定义静力承载能力评价指标，揭示了机械臂的尺寸参数对其静力承载能力影响规律。最后，应用基于性能评价指标的蒙特卡罗法对机械臂的尺寸参数进行了概率分析，以概率分析数据为基础对尺寸参数进行了优选。确定了一组最优尺寸参数值：固定平台上分支2万向副分布尺寸为250mm、分支3万向副分布尺寸为450mm、分支1的支链4万向副分布尺寸为300mm、分支1的支链5万向副分布尺寸为350mm；分支1的支链4末端球面副与分支1轴线距离为70mm、分支1的支链5末端球面副与分支1轴线距离为80mm；运动平台上分支2末端球面副分布尺寸为100mm、分支3末端球面副分布尺寸为100mm。采用上述优选尺寸...     

五自由度并联机械腿静力学性能评价与优化设计

为了对一种六足机器人的五自由度并联机械腿进行静力学性能评价和优化设计,提出了一种同时考虑约束力映射关系和驱动力映射关系的腿部机构静力学分析方法,并基于此方法对机械腿进行了优化设计.首先,通过分析腿部机构的驱动、约束映射关系,分别建立了腿部机构的驱动雅可比矩阵和约束雅可比矩阵;应用虚功原理建立了腿部机构的驱动静力传递平衡方程,在定义驱动静力学评价指标的基础上绘制了评价指标分布图,得出了结构参数与驱动静力评价指标之间的关系曲线.然后,采用同样的方法建立了腿部机构的约束静力传递平衡方程,定义了约束静力学性能评价指标,得出了结构参数与约束静力评价指标之间的关系曲线.最后,基于驱动、约束静力学性能评价指标,采用蒙特卡罗法对结构参数进行了优化设计.计算表明,固定平台结构参数a为200mm、运动平台结构参数b为80 mm,UPU支链长度l1min,l3max分别为500mm、900mm时,腿部机构的静力学综合性能最好.     

六足步行机器人的并联机械腿设计

将并联机构用于六足步行机器人的腿部结构,以拓展六足步行机器人的应用领域.提出了一种基于(U+UPR)P+ UPS机构的并联机械腿,并对机械腿进行了结构参数设计.首先,对腿部机构进行了运动学分析,推导出了腿部机构的位置反解方程和速度传递方程;分析了腿部机构的工作空间并绘制了工作空间三维图,定义了工作空间性能评价指标,绘制了结构参数与工作空间性能指标的关系曲线.然后,对腿部机构进行了运动灵活性分析并绘制了雅克比矩阵条件数分布图,定义了运动灵活性评价指标,绘制了结构参数与运动灵活性指标的关系曲线.最后,基于工作空间性能指标和运动灵活性指标,采用蒙特卡罗法进行了结构参数分析,选取了一组性能较好的结构参数并考虑加工和装配工艺性,设计了一种新型3自由度并联机械腿的虚拟样机,为六足步行机器人的进一步研究奠定了基础.     

(2PUR-UP)-PUS并联机构运动性能分析

设计一种含被动支链UP的两转动一移动(2PUR-UP)-PUS并联机构,应用旋量理论分析机构自由度和运动特性,机构可实现绕被动支链U副中心的两转动运动和沿P副的移动运动.推导出机构位置、速度和加速度正逆解方程,且位置正解具有解析表达式,有利于后续误差分析、轨迹规划与控制.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,分析机构传递工作空间.给出局部和全域性能指标的定义和计算方法,绘制了工作空间内的性能指标分布图.还制作了机构全域性能指标图谱,进而优选机构参数,可为机构的实际应用提供理论基础.     

基于变胞机构的性能可变机械臂研制

为研制一种用于铝合金铸件打磨、抛光的机械臂,将3-UPS机构作为初始构型,通过定义运动灵活性和静力承载能力评价指标,揭示出3-UPS机构的尺寸参数与其运动学、静力学评价指标之间的关系,表明:随着尺寸参数的取值变化,3-UPS机构的运动灵活性和静力承载能力变化规律相反,如果要追求其中一种性能,就必然导致另一种性能降低。为了使机械臂的构型、最优机构学性能可以根据不同工况而实时改变,在3-UPS机构每个分支与固定平台之间增加1个移动驱动副,提出一种基于3-PUPS机构的超冗余机械臂,该机械臂可以通过对各分支电动机抱闸锁定的组合实现变胞而得到31种新构型,当其处于3-UPS构型时还可以通过改变固定平台万向副分布半径数值,实时选择性调整运动灵活性最好、或静力承载能力最强。对超冗余3-PUPS机构进行了运动学和静力学建模与分析,揭示了其运动灵活性和静力学传递性能的分布规律。结合打磨、抛光工艺制定出机械臂在不同工况的变胞规则、变尺寸规则,实现了机械臂在不同工况具有不同的自由度状态和最优性能。研制出超冗余机械臂的试验样机,通过一套综合试验系统验证了其变胞构型的可实现性,并测量出其处于3-UPS构型时的定位误差,试验表明:机械臂的运动平台的位置误差均小于0.4 mm,姿态误差均小于0.45°,基本达到了通用式工业机器人的精度水平。     

下肢康复机器人的静力学分析及结构参数设计

下肢康复机器人是具有自动化功能的康复治疗设备,患者在科学合理的康复训练条件下,可使其下肢的运动功能得到良好的恢复。为了增大下肢康复机器人的康复训练工作空间和承载能力,对康复机器人的静力学分析尤为重要。提出了一种以3-UPS并联机构作为机构原型的下肢康复机器人,基于虚功原理,建立了下肢康复机器人驱动力和输出力的静力学方程,定义了静力学性能评价指标并绘制了评价指标分布图,分析了结构参数与静力评价指标之间的关系,确定结构参数对静力学性能的影响情况,并基于结构参数设计了下肢康复机器人。分析结果为下肢康复机器人的进一步分析研究奠定了基础。     

3-SPS/S球面并联髋关节机构奇异位形与静力卸载分析

结合人体髋关节的实际结构与功能特性,选取3-SPS/S(S为球面副,P为移动副)球面并联机构作为仿生髋关节原型机构,求取机构运动学反解,建立奇异轨迹方程,绘制奇异轨迹曲线;运用矢量法建立机构各构件的静力平衡方程,通过数值算例绘制机构各支链受力随位姿变化曲线,分析中心支链卸载效果;借助Adams软件对机构进行仿真,以获取在预定运动轨迹下机构各分支铰链所受力随时间的变化曲线,从而进一步验证机构静力卸载功能。研究内容对人形机器人髋关节样机的研制与控制具有一定的理论指导意义。     

新型球面并联人形机器人踝关节机构静力学性能分析

采用拆杆法建立机构的静力学平衡方程,考虑构件弹性,利用小变形叠加原理建立机构的变形协调补充方程,进而完成二自由度并联人形机器人踝关节机构的静力学分析。通过数值计算,得到在三种外载荷下构件上的各力与机构位姿的关系图。结果表明:外载荷为纯力时,支链1的受力很小,支链2的受力近似为零,而中心球面副支链的受力近似等于外载荷;外载荷为纯力矩时,三个支链的受力情况相似;外载荷为力和力矩时,支链1、支链2的受力情况与外载荷为纯力矩时的受力情况相似,中心球面副支链的受力为前两种情况的叠加。外载荷中的力成分主要由中心球面副支链承载,力矩成分由三个支链共同承载。该研究为该人形机器人踝关节机构在工程中的结构设计与应用提供了静力学参考。     

三分支非均匀分布球面并联机器人的工作空间分析

通过分析球面三转动副并联机构中三个分支的布局对工作空间大小及分布的影响,把一般球面并联机构的三个分支由均匀分部改为非均匀分布,提出了一种三分支非均匀分布球面并联机器人,介绍了其结构布局特点,建立了结构约束条件,绘制出了工作空间的α截面边界图,定量分析了机构参数和工作空间大小及分布形状的关系,设计了一种三分支非均匀分布球面并联机器人样机.     

5自由度大工作空间/支链行程比混联机械手的概念设计与尺度综合

研究一类新型5自由度可重构混联机械手的创新设计和尺度综合问题,该机械手模块由-2自由度球面并联机构和一条通过滑移副与之串接的两转动-移动串联运动链组成.该混联机械手由于将定点转动与相对滑移运动解耦,因此具有工作空间/支链行程比大的特点,适合高速轻载作业,可作为即插即用模块用于搭建不同类型的加工制造装备.在建立2自由度球面并联机构的速度映射模型的基础上,分析该机构的奇异性和各向同性问题,并以速度雅可比矩阵最小奇异值的全域均值为操作性能指标,研究2自由度球面并联机构的尺度综合问题.通过单调性分析揭示出尺度参数对该指标的影响规律,进而将尺度综合问题简化为求解杆长等式约束问题.最后给出一组算例,使该尺度综合方法的有效性得到验证.     

一种打磨机械臂的静刚度建模与实验

设计出一种采用(U+UPS)P+UPS并联机构的打磨3-DOF机械臂。运用子结构拆分和叠加思想,将机械臂手腕的位姿变形因素拆分为只考虑各支链拉/压变形、只考虑UP支链扭转变形、只考虑UP支链弯曲变形3个主要影响因素。通过基于矢量回路的虚功原理和结构矩阵建立3个主要影响因素的刚度模型,并根据各支链的结构特点定义了支链内各部件变形系数。通过叠加原理将各影响因素的刚度模型叠加整合为机械臂的整体刚度模型。研制出机械臂的实验样机本体,采用一套高精度机器人刚度实验系统对机械臂实验样机进行了刚度标定。实验结果表明：机械臂实验样机的位置变形实测值与理论值之间偏差均小于3μm,姿态变形实测值与理论值之间偏差均小于0.05°,机械臂实验样机的变形均在合理范围之内。     

空间2自由度冗余驱动并联机构运动学性能分析

面向建筑机器人领域的高性能机械臂需求,提出了一种空间2旋转自由度的3-UPS&U冗余驱动并联机构。基于螺旋理论和修正的G-K公式对机构的整体自由度进行分析,确定了其围绕恰约束支链万向副旋转的运动特性。建立驱动参数与末端参数之间的映射关系,得到其工作空间模型。通过主驱动并联、从动约束串联的独立建模,构造了该并联机构完整的广义雅可比矩阵,进一步得到动平台末端中心点线速度与驱动关节速度之间的无量纲化雅可比矩阵,并据此建立了特定工作空间下机构的灵巧度、承载能力和刚度性能评价指标。最后结果表明,3-UPS&U冗余驱动并联机构进行较高频次上下摆动作业时,在约束支链所布置的对应转轴方向上,具有更佳的综合运动学性能,且能大大降低性能衰减的幅度。     

基于正交机构的机器人肩关节静力学分析与结构参数设计

为了增大机器人肩关节的工作空间和承载能力,改善机器人肩关节的通用性与适应性,提出一种基于3-RRR正交球面并联机构的新型机器人肩关节,并对机器人肩关节进行了静力学分析和结构参数设计.首先,应用虚功原理建立机器人肩关节的静力学传递方程;其次,利用矩阵理论中的范数知识,将力雅克比矩阵引入静力学性能评价指标中,定义了机器人肩...     

一种消防六足机器人及其腿部机构运动学分析

提出了一种六足并联消防机器人,并进行了整机概念设计;经过对2UPS+UP机构进行变异,提出了一种新型三自由度易防护腿部机构;对该腿部机构进行了运动学分析,推导了位置反解方程和速度映射关系,分析了工作空间,绘制了工作空间三维图,揭示了其驱动机构几何参数对该机器人越障能力和行走速度的影响规律,设计了一组合理的几何参数。所提出的六足机器人防护性好,在消防、核电泄漏及地震等救灾场合有很好的应用前景。     

提高柔性冗余度机器人动态性能的冗余关节运动规划方法

通过分析影响柔性机器人弹性动力响应的因素，得出了在结构参数不变的情况下可以通过适当调整关节运动参数来提高机器人动态性能的结论。对柔性冗余度机器人关节运动的冗余特征进行了研究。在此基础上，构造出以冗余关节角为状态变量的优化控制结构，得出一种新的柔性冗余度机器人优化控制方法，该方法使各关节的运动简单易控、保证各关节的运动不越限，消除了机器人的终态自运动。     

平面冗余与非冗余并联机器人工作空间图谱的比较研究

并联机器人的结构参数决定其工作空间的特性。本文对并联机器人的杆件尺寸参数采用无量纲处理方法,建立了平面冗余与非冗余并联机器人的结构参数与工作空间形状的函数关系,绘制了两者基于无量纲参数的工作空间图谱,比较了两类工作空间的特点与优缺点,为并联机器人的机构设计提供了系统的参考依据。     

双支链六自由度并联机构尺度设计与性能分析

提出了一种新型六自由度并联机构,该机构由两条运动支链组成,每条支链各包含一个主动球副。与常规六自由度并联机构相比,支链数目的减少可有效增大机构工作空间。基于封闭矢量法求得所提机构的运动学位置逆解,在此基础上分析了机构输入与输出的速度映射关系,建立了机构雅可比矩阵。以工作空间和全域灵巧度为性能评价指标,借助性能图谱法完成了机构尺度设计,基于该尺度参数,对特定工作姿态下的工作空间、灵巧度、承载性能及刚度性能进行了全面研究。最后,搭建了3D打印样机,并对其典型应用场景进行了分析。     

具有容错性能的6R机械手位置反解

一般6R机械手在一个关节发生故障时，成为5R机械手或称欠自由度机械手。如果机械手抓取的是棒状物体，可以对手爪围绕棒中心线的转动姿态参数不加限制，从而把这一转动虚拟成一个未知的旋转关节，这样欠自由度机械手的位置反解问题就转换成含有6个未知量的位置反解问题。由于其结构参数将发生变化，且故障的关节是不确定的，因而反解程序须满足这一不确定性要求。一旦位置反解的运动学方程建立之后，解方程的过程与一般6R机械手的算法类似。通过数值算例，验证了机械手末端姿态γ不加限制时，这种单关节故障的一般6R机械手位置反解的个数是16。