冗余驱动仿下颌运动机器人的机构设计及轨迹规划

为实现人体下颌的运动,针对下颌系统的冗余特性和颞下颌关节运动的独特性,提出一种新型的冗余驱动的仿下颌运动机器人.首先,根据人体下颌运动机理以及仿生设计参数对仿下颌运动机器人进行样机设计.然后,基于虚拟仿真软件,对冗余驱动的仿下颌运动机器人进行轨迹规划.最后,在样机上进行下颌功能运动实验,分别模拟下颌的开闭、前后和侧方运动.结果证明该仿下颌运动机器人能够实现人体下颌的运动,特别是颞下颌关节的运动.     

含被动高副的冗余驱动并联机器人优化设计

针对具有平移和旋转混合自由度的冗余驱动并联机器人,提出一种优化设计方法.首先,介绍了仿人类口颌设计的并联机器人,由6-PUS(prismatic-universal-spherical)并联机构模拟6条主要咀嚼肌,2个被动高副模拟下颌关节.针对机构含被动高副的特点,利用末端执行器上的3点描述位姿,建立其量纲一致的雅可比矩阵.基于机器人结构和尺寸对速度误差传递性能的影响的分析,给出了该冗余驱动并联机器人的优化方法.设置性能参数对该冗余驱动并联机器人进行了尺寸优化设计,与优化前机器人机构相比全局误差标准差下降了39.83％.结果表明所提出的优化设计方法提高了并联机构的速度传递性能,并可以扩展用于其他机器人的优化设计.     

咀嚼机器人运循环规划及驱动力优化分配方法

为了实现面向牙科患者的个性化成品义齿性能测试,基于6PUS-2HKP空间冗余驱动并联仿生咀嚼机器人,设计了可安装牙模的仿生上颌、下颌结构.针对义齿性能测试对高仿生咀嚼运动的要求,提出了一种基于颞下颌关节(TMJ)运动理论的后牙运循环参数化仿生规划方法.利用拉格朗日方程和虚功原理,推导了冗余驱动咀嚼机器人的动力学方程.分别以颞下颌关节内力2范数最小和驱动力2范数最小为优化目标,建立了基于遗传算法的冗余驱动咀嚼机器人驱动力优化分配数学模型.将食品质构仪获取的仿真食物力-变形关系曲线加载到机器人磨牙上完成了运循环下咀嚼仿真食物实验.结果表明,咀嚼机器人切牙运动轨迹形状、切牙运动速度变化规律、髁突运动形式等均与人类咀嚼运动一致,空载和加载仿真食物两种条件下均可求得合理的驱动力优化分配结果.同时,以仿真实验得到的6组驱动为输入,采用咀嚼机器人样机进行了运循环实验.样机实验和咀嚼仿真食物实验证明了运循环规划方法的仿生性和驱动力优化分配方法的可行性.     

基于ZMP的仿人机器人跑步运动模式

采用小车-曲面桌子模型,提出了一种基于零力矩点(zero moment point,ZMP)的仿人机器人跑步运动模式.在单腿支撑阶段和飞行阶段,分别规划了仿人机器人的质心运动轨迹和双脚运动轨迹.在单腿支撑阶段,求解根据小车-曲面桌子模型建立的动力学方程,依据小车的运动轨迹规划出仿人机器人的质心轨迹;在飞行阶段,仿人机器人质心可看作抛物线运动,质心轨迹可通过水平方向上的匀速运动和竖直方向上的自由落体运动轨迹表示.分析了双脚与地面接触时的力及力矩约束.通过改变ZMP调整身体的倾斜角度,保持身体动态平衡.同时根据动力学方程分别求解出踝关节及其他关节的关节力矩.仿真实验结果表明:仿人机器人跑步时各关节角度和关节驱动力矩变化稳定,能够实现稳定的跑步,验证了方法的有效性.     

基于HMCD的仿人机器人单杠运动控制策略

为完成仿人机器人单杠运动,分析了欠驱动单杠机器人Acrobot模型,并根据IHOG技术要求、实物机器人本体结构和自由度配置,提出了基于HMCD的控制策略.通过单杠视频捕捉获取人体运动数据,根据仿人机器人模型分析关键特征点、基本动作的运动数据得到的关键帧的关节角数据,经过运动学约束调整,采用插值方法生成能够应用于仿人机器人的运动轨迹.在MF-1型仿人机器人单杠实物平台上进行控制实验的成功,验证了该方法的有效性.     

冗余驱动并联机械手的混合位置/力自适应控制

针对冗余驱动并联机构研究一种自适应的混合位置/力控制算法.基于并联机构中约束 子流形的几何性质,将冗余驱动并联机构的逆动力学自然投影到位形空间和约束力空间.基于投 影方程,提出一种统一的具有渐进稳定性的自适应混合位置/力控制算法.采用最小二范数准则 求解冗余解问题,实现了实际驱动关节力矩的优化.仿真结果验证了控制方法的有效性.     

基于变阻抗控制的冗余驱动并联机器人多目标内力优化

由于冗余驱动的存在,冗余驱动并联机器人系统逆动力学模型存在无限组可跟踪期望轨迹的控制力矩解,这使得机器人在运行过程中具有完成附加任务的能力.以实现骨科机器人的安全精准操控为目的,提出了基于变阻抗控制的冗余驱动并联机器人多目标内力优化方法.首先,采用支链分解法对冗余驱动并联机器人的动力学进行建模.其次,为实现机器人的安全操作,设计了冗余驱动并联机器人时变阻抗控制器,利用李雅普诺夫理论分析了系统的稳定性;在此基础上,以消除冗余驱动并联机器人运动过程中的传动间隙为附加任务,提出了一种以力矩传递性能、驱动功率和控制力为优化目标的多目标融合驱动力优化方法.最后,通过仿真实验与对比分析,验证了所提方法的有效性,实现了机器人系统传动间隙的消除.     

一种混合驱动柔索并联仿生眼的轨迹规划

在与眼球运动相关的解剖学和运动学的基础上,设计了一种符合Listing定理的基于混合驱动柔索并联机构的3自由度机器人仿生眼.通过矢量封闭方法建立了逆运动学模型,求解出柔索并联机器人的雅可比矩阵和结构矩阵.利用达朗贝尔定理建立柔索并联机器人的力矩平衡方程组,采用广义逆矩阵的相关理论,以柔索张力矢量的2范数最小为目标进行张力优化.用蒙特卡洛方法计算出仿生眼球可达工作空间.最后,在Simulink环境下进行仿真,规划运动轨迹并得到柔索并联机器人运动特性的仿真结果,证明了本文设计的机构符合Listing定理.结果表明:基于混合驱动柔索并联机构的机器人仿生眼结构合理,数学模型正确.     

仿人机器人复杂动作设计中人体运动数据提取及分析方法

提出了仿人机器人复杂动作设计中人体运动数据提取及分析方法. 首先, 通过运动捕捉系统获取人体运动数据, 并采用运动重定向技术, 输出人--机简化模型的数据; 然后, 对运动数据进行分析和运动学解算, 给出基于人体运动数据的仿人机器人逆运动学求解方法, 得到仿人机器人模型的关节角数据; 再经过运动学约束和稳定性调节后, 生成能够应用于仿人机器人的运动轨迹. 最终, 通过在仿人机器人BHR-2上进行刀术实验验证了该方法的有效性.     

冗余驱动仿壁虎机器人运动学分析与仿真

研究仿壁虎机器人处于多足吸附支撑状态时,出现冗余驱动问题,机器人驱动难度较大,为协调机器人各关节运动和姿态控制,讨论了一种冗余驱动的仿壁虎四足机器人的自然约束条件,推导了机器人三足吸附状态时冗余驱动变量与独立驱动变量的位置和速度关系,建立了机器人机体正运动学方程,同时建立了机器人的逆运动学方程,用来验证正运动学方程的正确性.机器人正运动学方程是一个高次方程,有16组解,数字仿真结果表明只有一组解满足实际模型要求.逆运动学分析结果及仿真结果验证了正运动学的正确性.     

并联机器人机构的虚拟样机运动仿真实验研究

以先进制造装备中的机器人工作台为应用背景,研究一种具有四个自由度的新型并联机器人机构。对这种机构的结构作了简要介绍,对其运动特性和自由度作了理论分析和计算。运用虚拟样机技术,在ADAMS软件平台上构建该并联机器人机构模型。按照机构的结构几何尺寸计算各转动副的位置坐标,创建连杆等零件和各转动副,设定驱动副和初速度以及进行运动仿真实验。对仿真结果进行分析。实验和分析结果证明理论分析方法是正确的。此外还说明,完全可以运用ADAMS软件完成并联机构的运动特性分析虚拟样机实验,为并联机构的结构综合提供了一种新的实验方法。     

欠驱动冗余度空间机器人优化控制

欠驱动控制是空间技术中容错技术的重要方面.本文研究了被动关节中有制动器的欠驱动冗余度空间机器人系统的运动优化控制问题.从系统动力学方程出发,分析了欠驱动冗余度空间机器人的优化能力和控制方法;给出了主、被动关节间的耦合度指标;提出了欠驱动冗余度空间机器人系统的“虚拟模型引导控制”方法,在这种方法中采用与欠驱动机器人机构等价的全驱动机器人作为模型来规划机器人的运动,使欠驱动系统在关节空间中逼近给出的规划轨迹,实现了机器人末端运动的连续轨迹运动优化控制;通过末关节为被动关节的平面三连杆机器人进行了仿真,仿真的结果证明了提出算法的有效性.     

一种气动肌肉拮抗驱动机器人关节的类人运动控制方法

为了实现气动人工肌肉拮抗驱动机器人关节系统的类人运动控制,针对该系统严重非线性的特点,本文将其控制问题视为一个非线性最优控制问题,根据人体手臂关节运动的最小加加速度模型设定系统的最优控制性能指标,首先采用扩张状态观测器将机器人关节模型线性化得到积分器串联标准型,然后在线性化模型基础上设计最优控制律,使机器人关节具有与人手臂关节相似的无约束运动轨迹.仿真结果表明,采用本文算法,机器人关节能实现大运动范围(0～120°)的类人运动,关节运动轨迹对负载的改变(1 kg～5 kg)不敏感,并且关节运动具有较好的抗扰动能力.在机器人关节实验平台上通过实物实验验证了算法的有效性,并进一步讨论了控制器参数的设计规则.本文算法需要整定的参数只有2个,适用于气动肌肉拮抗驱动关节的类人运动控制,能够满足协作机器人在本质安全性、运动柔顺性以及类人运动模式等方面的要求.     

绳驱动上肢外骨骼康复机器人穿戴机构设计

为了降低绳驱动并联外骨骼的结构不稳定性所带来的运动学建模误差,改善外骨骼对不同穿戴者的适应能力,提升外骨骼的穿戴舒适度,提出了一种新型穿戴机构并应用于绳驱动并联上肢外骨骼康复机器人CURE-7.首先,介绍了一种绳驱动外骨骼康复机器人,该外骨骼具有特制的穿戴机构,兼具绳驱动设备和并联机构的优点;然后,设计穿戴机构的欠驱动穿戴模块和柔性肘关节,建立外骨骼的运动学模型并对关键参数的影响进行了研究;最后,开发了穿戴机构样机并安装于外骨骼上,进行了健康人的运动轨迹跟踪实验和手臂穿戴外骨骼时的受力实验以证明穿戴机构的有效性.实验结果表明,通过采用新的穿戴机构,受试者肘关节前屈运动轨迹跟踪标准误差平均降低了约41％,肩关节外展运动轨迹跟踪标准误差平均降低了约30％,穿戴压力最大值降低了约23％,不同部位的压力方差也有较大幅度的降低.     

具有2DOF铰接式躯干的仿猎豹四足奔跑机器人

为了探索脊柱运动对腿运动的增强机理,设计了具有2自由度铰接式躯干的仿猎豹四足奔跑机器人。对带腾空相的跳跃（bound）步态奔跑运动的力学过程进行描述,采用阻尼型弹性负载倒立摆（D-SLIP）模型建立了四足机器人动力学模型。依据猎豹的奔跑运动模式,对四足机器人脊柱关节与腿关节的耦合运动进行了轨迹规划。提出一种改进的粒子群优化（PSO）算法,解决了机器人脊柱关节驱动机构尺寸和运动轨迹控制参数之间目标互斥的嵌套优化问题。对四足机器人跳跃奔跑运动进行动力学仿真,结果表明：脊柱与腿的协调运动可以增大奔跑步幅,使机器人产生腾空相,从而提高机器人的奔跑速度。     

双足机器人HEUBR-1 样机研制与实验研究

模拟人的肌肉驱动方式,为双足机器人HEUBR-1 设计了二自由度的空间并联机构,并将其应用于双 足机器人HEUBR-1 下肢关节,实现了一种新的串并混联的仿人下肢结构．在HEUBR-1 的足部增加了足趾关节,使 机器人能够模拟人的行走方式,实现真正的拟人步态行走．阐述了双足机器人HEUBR-1 稳定拟人行走的关键性技 术,提出了综合稳定性判据,分析了拟人的多种步态．通过拟人行走步态实验分析,验证了双足机器人HEUBR-1 串 并混联的仿人结构的设计合理性及拟人步态分析的准确性．     

仿人机器人两步步态规划算法研究

为了进一步提高仿人机器人步行时的稳定性,通过对人类步行的研究,并从两足步行机的两步步态规划方法中得到启发,对仿人机器人步行也进行类似的两步规划,但由于结构上的不同,仿人机器人中采用加入上肢运动补偿的方式实现平衡.规划仿人机器人的运动姿态,然后根据零力矩点必须落在稳定区域的原则,对仿人机器人的上肢运动轨迹进行求解,通过这种加入上肢补偿的两步规划来实现仿人机器人的稳定步行.从实验结果可以看出,采用这种两足步态规划方法,在仿人机器人两足步行时,可以使机器人上肢与下肢协调运动,从而提高了步行的稳定性.     

基于执行时间约束的机器人关节空间轨迹优化

为在保证机器人运动轨迹的平滑性的条件下提高机器人工作效率,提出一种基于轨迹执行时间归一化处理的关节空间运动轨迹规划优化算法。对轨迹的执行时间进行归一化处理,分析关节空间位置、速度、加速度的运动轨迹相对于归一化时间的数学模型;考虑关节运动参数的约束条件,采用五次多项式拟合机器人在关节空间的运动轨迹,分析不同轨迹执行时间对关节位置运动轨迹的超调量的影响,实现机器人关节空间的位置轨迹优化;在M atlab环境里对机器人的运动轨迹进行仿真建模,完成机器人运动学仿真。多组仿真结果表明,该算法在保证机器人轨迹平滑的基础上,能保证轨迹执行时间最优,有效地提高机器人的运动效率。     

柔索驱动三自由度球面并联机构运动学与静力学研究

柔索驱动并联机器人采用柔索代替连杆作为机器人的驱动元件,它结合了并联结构和 柔索驱动的优点．文章提出了一种新型带有约束机构的并联柔索驱动机器人，采用四根柔索 驱动．由于约束机构的引入，机器人可实现在空间的三维转动．介绍柔索驱动并联机器 人的机构构型，给出了位姿逆解，建立了静力平衡方程和运动学方程，讨论了柔索拉力的确 定方法．研究结果证明在加入了约束机构后，柔索机器人可以实现更多的运动形式，这就为 更广泛的应用柔索驱动成为可能．     

一种三自由度冗余驱动并联机器人控制研究

并联机器人具有无摩擦无间隙、响应快、结构紧凑、刚性好、误差积累小等特点,但其在几何特性方面也存在很多缺点,如运动范围小、灵活性差以及工作空间内存在奇异位形等,加入冗余度可以改善它的几何特性。由于冗余驱动并联机器人在工作空间、灵活性、避障能力及动力特性等方面具有优点,因而受到了越来越多的重视,本文提出一种三自由度的冗余驱动并联机器人控制研究方法,主要从冗余并联机器人的运动学模型、工作空间、MATLAB仿真及其控制程序开发等主要方面进行了深入细致的研究。