一种多关节轻量化离散驱动机械臂的设计与研究

基于单马达驱动技术设计了一种5自由度的多关节轻量化离散驱动机械臂,机械臂各个关节采用离合器进行控制,多个关节共用一个驱动电机。针对机械臂特殊的传动链结构所造成的关节运动耦合特性,进行分析并提出了补偿措施。为研究机械臂的振动特性,利用ANSYS仿真软件对机械臂进行了模态分析,仿真结果表明机械臂激励频率远离其固有频率。通过对机械臂进行运动学正反解,并利用MATLAB进行仿真分析得到该机械臂能够通过关节联动的方式实现复杂运动轨迹。     

基于电磁动滑轮驱动与光反馈仿人手研究

针对传统机械仿人手结构复杂、成本高、触觉感知能力差等问题,设计一种基于电磁动滑轮驱动的仿人手。通过双级驱动钢丝绳与电磁动滑轮十字垂直交叉方式,实现一个驱动电机对5根手指6个自由度的独立驱动控制。通过手指双关节与十字动滑轮串行绕线的连接方式,使每个手指关节具有驱动的相对独立性,提升了手指对物体外形被动适应能力。研制弹性光感装置并内置于手指关节和手掌结构中以提供相应复位力,通过对其负载和弯曲特性的研究建立光强与转角和负载力的数学模型,实现对手指压力和关节转角检测,并对样机进行了性能测试,可实现对常见物品的抓取。     

基于全局能量优化的液压机械臂节能控制策略

液压机械臂由于采用液压系统作为驱动装置，在实现闭环运动控制过程中存在能效较低的缺点。针对此问题，提出一种基于全局能量优化的液压机械臂节能控制策略。分析液压机械臂各关节与驱动液压缸之间的运动转换，并推导了关节运动与液压缸两腔压力之间的非线性映射关系。在此基础上，构建液压机械臂能量消耗目标函数，与运动时间构成多目标优化问题，并利用改进的NSGA-Ⅱ多目标优化算法求解该问题的最优解。通过对比仿真结果可以发现：所提出的基于全局能量优化的节能控制策略与传统的定供油压力控制策略相比，节约了46.73%的能量，与传统基于时间-能量的优化节能策略相比节约了8.62%的能量，从而验证了所提策略的有效性。     

面向UAV的绳驱动空中机械臂动力学建模分析北大核心

为解决空中机器人与外界环境交互作业问题,设计了一种面向UAV的绳驱动空中机械臂系统,并研究了其系统建模方法。首先,设计了绳驱动空中机械臂的虚拟样机,详细地介绍了其机械结构、工作原理以及绳索解耦方式;其次,综合牛顿-欧拉法、拉格朗日法、旋量理论、空间算子代数理论4种方法推导出了整个系统的正反向运动学模型和正反向动力学模型;最后,通过仿真算例对绳驱动空中机械臂的性能进行了模拟评估。结果表明,所建立的绳驱动空中机械臂系统模型是合理有效的,能较为准确地反映系统的动态特性,所提出的综合建模方法对其它多刚体系统的建模具有一定的参考价值。     

蛇形空间机械臂单个2-DOF关节的运动学标定

绳索驱动的分段式蛇形空间机械臂通常具有相同结构的模块化关节,能够在狭小空间中灵巧操作,其精度是制约机器人发展的主要因素。为了提高蛇形空间机械臂的位置精度,指导蛇形空间机械臂的精度设计,以单个2-DOF关节为对象,提出一种正则化的运动学标定方法。首先,对具有多重映射关系的2-DOF关节的运动学进行分析,通过矩阵全微分理论建立包含所有几何误差参数的误差模型。然后,对2-DOF关节各部件的所有误差源进行灵敏度分析,依据3σ原则和理想的位置精度设计指标指导各部件的公差设计。最后,考虑所有的制造和装配误差,采用正则化方法对2-DOF关节进行误差辨识,用于补偿控制器中的名义运动学模型。结果表明,经过修正后的运动学模型的位置精度提高了50%,验证了运动学标定的有效性。     

基于ADAMS的飞机表面清洗臂动力学仿真与分析

针对五自由度的飞机表面清洗机械臂,利用 Lagrange 方程建立了清洗臂的动力学模型,采用 Solidworks 建立了该清洗臂的实体模型,将其导入到动力学分析软件 Adams 中生成了虚拟样机,并进行了动力学仿真与分析,由此得出各关节转角和关节力矩的关系曲线,确定了关节所需的输入力矩。这为机械臂的控制、关节驱动形式的确定提供了可靠依据。     

基于ADAMS的飞机表面清洗臂动力学仿真与分析（英文）

针对五自由度的飞机表面清洗机械臂,利用Lagrange方程建立了清洗臂的动力学模型,采用Solidworks建立了该清洗臂的实体模型,将其导入到动力学分析软件Adams中生成了虚拟样机,并进行了动力学仿真与分析,由此得出各关节转角和关节力矩的关系曲线,确定了关节所需的输入力矩。这为机械臂的控制、关节驱动形式的确定提供了可靠依据。     

一种轻型仿人机械臂关节并联机构设计

基于人体上肢手臂结构特点与运动特性，提出一种轻型仿人绳驱动协作机械臂结构，完成了3-RRRR-（UPU）腕关节并联机构设计；弓形连杆铰链中心连线两两对角相交，交点随动平台相对静平台作球面纯滚动，形成椭圆运动轨迹。构建虚拟圆逼近椭圆误差模型，采集不同尺寸下并联机构运动误差数据进行插值优化处理，得出插值优化模型；在动、静平台分别建立动、静坐标系，构建并联机构运动学简图，完成正运动学分析。通过正运动学分析结果推演出绳索长度与并联机构末端动平台位姿关系，并通过逆运动学分析验证机构正运动学分析。     

考虑柔性关节的刚柔耦合机械臂的优化设计

为了提高刚柔耦合机械臂的运动精度,抑制由柔性关节引起的振动。根据"线性扭簧模型"和有限元法,推导出机械臂柔性关节和杆件的动力学模型,找寻刚柔耦合机械臂关节阻尼参数与末端振动位移的关系。确定关节阻尼取值范围并将其作为设计变量,设计目标为机械臂的末端振幅,进行优化。使用ADAMS对已建立关节阻尼优化设计模型的刚柔耦合机械臂进行优化设计,得到最小振幅时最优阻尼。对比并分析机械臂高速和低速两种工况下的结果,并对机械臂进行附加强迫振动分析。验证了柔性关节对高速和低速机械臂末端运动精度均有不可忽略的影响,为带有柔性关节机械臂抑制振动,提高精度提供理论依据。     

基于液压马达驱动的6R排爆机械臂结构设计与运动学分析

针对液压马达驱动的排爆机械臂在特种环境下工作,根据其工作过程中存在灵活性差、精确度低的问题,提出基于液压马达驱动的六自由度旋转机械臂,满足在复杂工况下的工作要求。通过建立机械臂的D-H坐标系和三维模型,根据D-H坐标系建立原则,理论推导出运动学方程,得出机械臂连杆末端位姿与各关节角度的关系,同时联合MATLAB和Adams进行正运动学和逆运动学仿真,得出各关节角度变化曲线和末端位移变化曲线。结果表明:6R机械臂机械结构设计可靠、运动学理论方程正确,满足机械臂末端的空间坐标(单位为mm)从(-160,410, 740)移动到(-502,-160,362)的位置要求。     

模块化机器人结构设计及运动特性分析

针对传统机器人关节在运动过程中的偏转角度、俯仰承载能力受限问题,以提高机器人偏转、俯仰运动能力为目标,提出单电机驱动双轴式、具有大偏转角度特性的偏转关节模块,和基于平行四边形结构及弹簧部件、具有低功耗高承载能力特性的俯仰关节模块,进行了偏转模块、俯仰模块运动特性分析。建立基于新型模块的机器人运动学模型,对比分析相同尺寸及工作条件下新型机器人与基于传统关节机器人的工作空间,结果表明：同等条件下新型机器人工作空间明显大于传统机器人结构,所提出新型关节模块可有效提升机器人运动灵活性。     

基于SimMechanics的仿人机器人运动学仿真

利用Matlab／SimMechanics机构仿真工具建立了仿人机器人机构的仿真模型,并由模型图直观地观察仿人机器人的动态步行过程,求出了机器人躯体重心的角加速度和髋关节的扭矩变化图。建立了仿人机器人的瞬时状态的平面五杆机构运动模型,根据Kane法求解出了机构的动力学方程。在机构分析中应用SimMechanics仿真工具,为机械系统的仿真提供一种十分简便的方法。     

下肢外骨骼机器人结构设计与运动稳定性研究

为帮助下肢瘫痪人群恢复行走功能,设计出一款下肢外骨骼机器人。依据人体运动机制对各个关节的自由度进行了设计,确定了主动关节和被动关节类型并选用合适的驱动方式,详细介绍了主要部位的结构设计。论述了机器人的工作机制以及工作方式。建立下肢外骨骼机器人的连杆模型,规划出关节运动轨迹并求解出各个关节旋转运动曲线。利用ADAMS仿真软件将所规划的步态曲线进行仿真分析,仿真结果表明:各个关节运动曲线柔顺平滑,无明显冲击。在一个周期内,与理论计算值相比,各个关节的角度仿真值误差均小于±1.5°,在合理误差范围之内。利用COG理论验证步态轨迹的动态稳定性,证明了所规划的步态曲线的合理性。     

人形跑步机器人的逆运动学分析

提出一种人形跑步机器人逆运动学的分析方法。由于机器人在跑步时存在一个双脚离地的腾空阶段,因此建立了惯性坐标系、参考坐标系和物体坐标系,用来确定机器人身体各个部分的相对位置。采用齐次坐标转换矩阵分析机器人质心和双脚轨迹与机器人各个关节角度、角速度、角加速度等的关系,并用Newton-Raphson方法根据机器人质心轨迹和双脚轨迹计算出各个关节的运动参数,完成逆运动学分析。并通过算例验证这种方法的有效性。     

基于半解析法的四足爬壁机器人关节扭矩估算

四足爬壁机器人的足端力和关节扭矩是机器人吸附力设计和关节电机选型的重要依据。在考虑重力和吸附姿态变化的情况下,利用有限元分析足端力和关节扭矩需要重复画网格和仿真分析,工作量较大。结合运动学、静力学和有限元分析提出一种简单且统一的半解析方法估算不同吸附姿态下四足爬壁机器人的足端力和关节扭矩。算例中利用半解析法计算得到84组数据并分析得到不同姿态下最大足端力和最大关节扭矩的变化规律,基于算例结果完成了机器人的吸附力设计和关节电机选型,最后实验测量了不同姿态下机器人的关节扭矩最大值。实验结果表明:机器人吸附力设计和关节选型合理,半解析法计算的最大关节扭矩误差小于8.86%。     

驱控一体化机器人关节的研制及应用

对国内外一体化机器人关节及协作机器人进行研究,概述国内外相关技术的发展现状,研制集高负质比减速机、力矩电机、力矩传感器、双编码器和智能驱动器于一体的多系列机器人关节,并开展了负载和精度测试实验,得出了多型号关节性能参数,以及基于驱动器电流和力矩传感器的关节负载特性。对机器人关节核心零部件进行分析,提出一体化关节的设计方法以及零部件设计选型经验。基于研制的一体化关节搭建了六轴和七轴机器人,实现机器人各关节分布式控制,为机器人的模块化和重构性问题提供了一种解决方法。     

两栖复合腿机器人运动仿真及能耗分析

对水陆两栖复合腿机器人进行运动仿真及能耗分析。设计一种弧形腿与桨结合的两栖六足机器人,研究其地面三角步态行走机制,提取腿部转动关节运动模型。分析机器人能源消耗组成部分,简化得到其单周期能耗计算模型。构建9种不同腿长参数的机器人三维模型,在ADAMS软件中设置规划的转动关节轨迹,实现运动仿真。提取仿真后的电机力矩,计算一周期的能耗并进行分析。结果表明：适当减小机器人腿长参数可提高能源利用效率,这对提升腿式机器人整体性能具有一定的参考意义。     

基于全局最优滑模控制器的冗余自由度机械臂运动控制的研究

为了提高冗余自由度机械臂的运动准确性,进行基于全局最优滑模控制器的冗余自由度机械臂运动控制的研究。分析冗余自由度机械臂的机械结构,明确其结构组成及运动原理。通过各关节节点的旋转角度及连接臂长度,分别求取了相邻关节节点间的旋转关系式及关节结点相对基础坐标的移动矢量,并通过该移动矢量得出机械臂的动力学方程。通过机械臂的动力学方程,计算出单个关节节点的系统方程。利用角度误差构造滑模面,并在此基础上利用单个关节节点的系统方程,建立滑模控制器。为了获取滑模控制器中滑模加权因子和趋近加权因子的最优解,采用粒子群算法在解空间中对其进行全局搜索,从而得到全局最优化的滑模控制器,用于对冗余自由度机械臂的运动过程进行控制。实验中,采用此方法和干扰观测器方法对关节节点的运动过程及末端执行器的运动过程进行了控制,从控制结果可知:在控制关节节点及末端执行器运动时,此方法比干扰观测器方法的控制准确度分别提高了17.12%和13.49%,表明此方法能有效保障冗余自由度机械臂的运动准确性。     

回转头压力机交流伺服直驱方式的研究

随着电机调速与伺服控制方式、电机技术等的飞速发展,交流伺服直驱控制技术得到广泛应用.本文分析了目前直线电机直接驱动式、伺服电机直接与曲柄相连式、伺服电机通过减速器与曲柄肘杆等机构相连式、双伺服电机驱动丝杠螺母机构4种不同的交流伺服直驱传动方式的工作原理、输出特性以及用于回转头压力机中的优缺点.获得了交流伺服电机的转速、最大扭矩、当量负载扭矩、连续过载时间等主要技术参数选取的合理方式,并建立了相应的计算公式.     

基于ADAMS宏命令的薄煤层工作面巡检机器人建模与仿真

为了实现履带式巡检机器人虚拟仿真和实际运动情况相符合,在ADAMS软件中用宏指令建立了各条履带的仿真模型,并对履带块间的衬套力、接触力及求解器等参数进行了合理设置,对巡检机器人越障过程进行了虚拟仿真,得到了电机驱动力矩变化规律,最后对巡检机器人试验样机进行了越障性能试验,所设计的巡检机器人越障性能指标达到了设计要求。