基于等效并联机构的四足步行机器人运动分析

针对四足步行机器人机构运动学求解问题进行了研究.以螺旋理论为分析手段,提出一种基于等效并联机构的步行机器人运动分析方法.将四足机器人3足落地和4足落地状态的运动状态等效为3-UPS和4-UPS并联机构,进行了步行机器人3足、4足落地时的等效并联机构自由度分析,证明其自由度设计的正确性.对单腿机构的运动空间进行了分析和计算,通过比较研究,选取其中运动空间合理的单腿机构配置方式.最后,通过对对应等效并联机构的运动学分析,解决了不同运动状态下的四足步行机器人机构的运动学求解问题.     

单自由度四足机器人腿部行走机构分析

本文介绍了由切比雪夫四杆机构和平行四边形缩放机构组成,衍化得到的一种单自由度四足机器人的腿部行走机构。首先建立平面坐标系并利用解析法,根据腿部机构简图建立相应的数学模型,得出该机构的运动学方程。其次,在机构分析SAM环境下对该腿部机构进行运动仿真分析,得到足端轨迹图,并改变腿部机构中变量大小观察足端轨迹的变化。最终确定了方案的可行性以及机构设计的合理性。该机构提出了一种成本低,节约能源的,易于实现的单自由度四足机器人的腿部机构。     

牵引式下肢康复机器人机构参数优化及轨迹规划

为满足下肢运动功能障碍患者在不同阶段的康复训练需求,针对现有下肢康复机器人训练方式单一的问题,提出了一种可实现卧姿、坐姿训练模式的牵引式下肢康复机器人。首先,根据人体下肢运动机理和仿生原理,设计了一种五自由度混联机构构型。然后,建立了机器人的运动学模型,分别计算了其运动学正、逆解。接着,以人体下肢末端与机器人末端的工作空间重合度为目标函数,采用遗传算法对机器人的机构参数进行了优化,并求得人机系统矢状面内人体下肢的有效工作空间比为0.71。最后,规划了CPM（continuous passive motion,连续被动运动）、圆周运动和螺旋运动等3种康复训练运动轨迹,并根据优化后的机构参数搭建了机器人样机,通过运动捕捉实验验证了机器人结构设计与优化结果的合理性以及轨迹规划的正确性,表明该机器人能够满足下肢运动功能障碍患者的康复需求。     

下肢康复用并联式外骨骼膝关节的设计

提出了下肢瘫痪病人康复用并联式外骨骼膝关节的设计方法.通过分析传统单自由度转动副和多连杆机构的不足,采用平面二自由度并联机构对膝关节外骨骼化,以提高外骨骼膝关节的仿生性和通用性,并提出了该机构辅助人体膝关节进行康复训练的实施方案.在运动学分析的基础上,以满足人体正常行走时膝关节的运动范围要求和提高机构运动学性能为目标进行了结构参数优化设计.初步分析表明,该机构用于下肢瘫痪病人康复训练时具有仿生性高和通用性强的特点.     

轮-履-腿复合仿生机器人步态规划及越障性能分析

为了提高移动机器人的越障性能,实现其自主越障,设计了一种轮-履-腿复合仿生机器人,并对其进行步态规划和越障性能分析.首先,以海龟为仿生对象,通过分析其身体结构和稳定机理,设计了机器人的轮-履-腿复合式移动机构和二自由度支腿结构;同时,基于该机器人的结构特征,利用D-H(Denavit-Hartenberg)法建立了坐标...     

七自由度机械臂动力学分析与仿真

针对七自由度机械臂(KUKA LBR IIWA机械手臂)的动力学模型正确性问题,对其关节1进行动力学分析。首先,采用DH法进行结构建模,得出正运动学方程,依据七自由度机械臂自运动特性,计算出机械臂各关节角。然后,采用牛顿—欧拉方法对机械臂进行动力学建模,推导出机械臂各关节约束力/力矩方程。最后,采用ADAMS动力学仿真和实物实验论证,分别对机械臂关节1在静态和动态两种情况所受到的力/力矩进行比较。结果表明:运用理论公式推导、ADAMS仿真和实验验证,综合分析出机械臂关节1受力/力矩结果误差不大,具有一致的,为后续机器人控制、机器人动态分析和机械臂动力学优化等问题研究奠定基础。     

基于MATLAB的机械臂运动学分析和轨迹规划

目的 研究包装机械臂运动学和轨迹规划,以实现机器臂的平稳运行和精确控制。方法 以六自由度包装机械臂模型为研究对象,采用改进的D–H参数法建立坐标系,推导运动学方程,运用MATLAB搭建机械臂模型并进行正逆运动学仿真,以验证模型的正确性。其次,采用五次多项式插值算法对机械臂关节空间进行轨迹规划。最后,针对包装作业中待包装产品的定点抓取搬运任务进行轨迹规划和仿真。结果 搭建的机械臂模型正确,五次多项式插值法轨迹优化效果好,可保证各关节角度、速度和加速度曲线光滑连续;计算出抓取搬运任务中各关节的关节量,并得到了末端执行器运动轨迹曲线。结论 机械臂能以预期的运动精度完成抓取搬运的动作,为进一步探究机械臂的运动控制和实际应用奠定了基础。     

多关节蛇形机器人的结构设计和运动实现

针对蛇形机器人整体研制的关键问题，包括材料选取、结构设计和运动实现等，研制了一种新型的多关节蛇形机器人。该蛇形机器人由11个二自由度正交关节构成，可在保证灵活性的同时实现三维高仿生运动。采用蛇形曲线设计了蛇形机器人的蜿蜒、蠕动和翻滚等基本步态，并进一步提出了改进的越障步态。同时，在V-REP软件中对蛇形机器人的步态进行运动仿真，比较了不同步态的运动轨迹和运动效率。最后，通过蛇形机器人样机步态实验，对步态模型中各个控制参数对蛇形机器人运动波形和运动速度的影响进行了分析，验证了蛇形机器人本体结构与控制系统的可靠性。研究结果对实现蛇形机器人的步态规划与运动控制具有重要的理论意义与实际指导价值。     

连续碳纤维混合3D打印工艺及仿生腿性能研究

基于连续与短切碳纤维复合材料双喷头混合3D打印工艺原理,本文研究了连续碳纤维在实验样条中的排布方式,对3D打印中连续碳纤维的层间布局进行工艺规划,并应用于四足机器人仿生腿的制造,以增强四足机器人仿生腿的承载能力。根据不同工况下四足机器人仿生腿的受力分析及静力学仿真结果,得到仿生腿受力时理论应力集中部位,并由此设计承载力实验对仿生腿30°外展工况持续施加力至额定载荷;通过仿生腿在承载力实验中结构失效的部位与仿真时理论应力集中处的对照分析,证明了仿真结果的准确性。依据仿生腿侧面受力时结构失效的测试评估结果,对3D打印仿生腿中的连续碳纤维的布局进行合理工艺规划,在不增大连续碳纤维整体含量的条件下对应力集中部位进行选择性增强,可在提高3D打印性价比的同时使仿生腿的最大拉升强度提升至310 MPa,从而达到更优的承载作用。     

基于虚拟样机技术的下肢假肢结构设计与仿真

下肢假肢动力学问题是智能仿生人工腿(intelligent bionic artificial limb prosthesis)研究领域中的重要内容．针对智能仿生人工腿,设计下肢假肢基本结构,运用Pro/E建立下肢假肢膝踝足关节模型,进行非线性动力学分析,并考虑了关节间的摩擦问题．最后,通过ADAMS虚拟样机技术,对人体行走步态进行仿真模拟控制,为下肢假肢、步行机器人研究提供了理论基础．     

快递包裹码垛机器人设计与腿部功能仿真

目的设计一种快递包裹码垛机器人,以更好地完成快递包裹的分拣与码垛工作。方法通过Inventor软件建立整机三维模型,运用D-H齐次坐标变换矩阵建立其左前腿运动学方程,基于ADAMS虚拟样机技术对该快递包裹码垛机器人腿部结构进行结构优化,并对该机器人分别实施滚动式水平面行走、吸附式爬壁行走的功能特性进行深入分析。结果得出腿部优化设计变量对转角的敏感度,最终得到最佳腿部结构,大腿关节转角活动范围可达到27.34°,重心高度稳定在340 mm左右,重心稳定。结论仿真结果表明,该快递包裹码垛机器人具有机构设计合理、运动稳定可靠、动作灵敏等特点,为现有快递行业提供了一款节省人力及时间的劳动工具。     

阀口袋套袋机器人轨迹优化方法研究

目的 为了提高阀口袋套袋机器人的工作效率,提出基于改进粒子群算法的阀口袋套袋机器人时间最优轨迹规划方法。方法 首先,通过逆运动学方程反解出操作空间轨迹对应的关节空间角度值。其次,采用4–3–4混合多项式对阀口袋套袋机器人的关节空间轨迹进行插值拟合。最后,在速度约束条件下,利用改进粒子群算法对阀口袋套袋机器人的运行时间进行优化处理。结果 仿真结果表明,改进粒子群算法可以在保证阀口袋套袋机器人运行平稳的条件下将总运行时间缩减41.66%,实现了阀口袋套袋机器人在关节空间中时间最优的轨迹规划。结论 该方法可有效地提高机器人工作效率,延长机器人的使用寿命,为阀口袋套袋机器人稳定可靠运行提供了科学依据。     

两栖仿海龟机器人动力学建模与运动控制研究

为了提高两栖仿海龟机器人行走的稳定性,对其进行动力学建模,并基于PID (proportional integral derivative,比例积分微分)反馈控制策略提出了一种力/位控制模型。首先,根据机器人的运动学模型,得到了支腿的变换矩阵和雅可比矩阵,并利用虚功原理建立了足端与液压缸之间的力传递模型。然后,利用拉格朗日法对机器人进行动力学建模,推导了支腿的动力学方程,同时进行了动力学仿真,并将实时的足端受力导入动力学方程进行计算,验证了动力学模型的正确性。最后,搭建了液压仿真模型,并在ADAMS-AMESim-MATLAB联合仿真环境中开展了机器人运动仿真。仿真结果显示：与纯位置控制模式相比,力/位控制模式下机器人膝关节的转动更加平稳,液压缸的动力输出更稳定且功耗更小。研究结果对提高机器人运动的稳定性、增强运动控制系统的鲁棒性和提高液压系统的总效率具有借鉴意义。     

新型并联机器人的构型设计与运动学分析

目的针对袋装食品的抓取和装箱过程操作简单且重复性高,采用人工完成的成本过高,极易发生少装和错装的现状,设计一种以2-RPS-UPU并联机构为主体的抓取和装箱机器人,验证其是否具有良好的运动学性能。方法通过运用螺旋理论和修正的Grubler-Kutzbach公式对机构的自由度数目和类型进行分析,接着使用"闭环解析法"和"欧拉角表示法"2种方法推导该机构的运动学位置反解,采用粒子群优化算法对该机构进行位置正解算例分析。最后利用SolidWorks软件采用"驱动动静结合"的方法求解机构的工作空间。结果该机器人具有3个自由度(两转一移),驱动关节和末端执行器之间的位置及姿态关系明确,可以进行良好的线性运动,工作空间呈蜘蛛网状,范围广且形状规则对称,结构紧凑。结论该新型三自由度并联机器人能够满足袋装食品抓取和装箱时所需的运动和工作范围,其运动平稳,可靠性强。     

基于Canfield型关节的蛇形机器人运动仿真研究

应用虚拟机器人实验平台(V-REP)构建了一种基于Canfield关节型的运动机构,通过动力学仿真添加关节角度约束对其运动空间轨迹进行了观察与分析。利用该Canfield型机构作为关节模块组建成了蛇形机器人,并对该类蛇形机器人关节运动生成的蜿蜒、转弯和伸缩步态进行了实验研究和分析,为该类蛇形机器人设计提供了可行性。     

机器人纸箱套装系统的轨迹规划与分析验证

目的保证机器人纸箱套装系统稳定工作,提高包装质量与效率。方法对系统进行整体规划后,确定纸箱套装系统的轨迹点,对不同的运动过程分别在关节空间中和笛卡尔空间中进行轨迹规划,并生成各关节插值曲线。借助Matlab对机器人进行仿真实验,得出各关节角度规划曲线,并将之与轨迹规划所得结果进行比较。利用机器人实物对轨迹规划进行验证。结果各关节插值曲线与角度规划曲线吻合,角度规划曲线平滑。结论选用的套箱机器人轨迹规划方法可行,结果正确。     

基于空间位姿测量设备溯源的轨迹规划

研究了不同空间轨迹曲线对激光跟踪仪、视觉测量设备等影响,以规划标准路径,保证经济、高效且高精度。以工业机器人为研究对象,建立机器人Denavit-Hartenberg(D-H)参数模型,对其结构和连杆参数进行分析,推导运动学方程,利用MATLAB Robotics toolbox分析验证机器人正、逆向运动学的正确性。在工业机器人运动学模型的基础上进行轨迹规划,分析了在关节空间和笛卡尔空间的轨迹规划方法,在MATLAB Robotics toolbox环境下对三次和五次多项式插值法等多种不同轨迹进行仿真,得出在关节空间中采取高次多项式插值法进行标准轨迹规划的初步结论,验证了关节轨迹的平顺性,保证测量设备的速度和连续性。为后续研究轨迹对不同测量设备的影响,规划标准路径进行测量设备的溯源提供理论基础。