风洞捕获轨迹机构设计与工作空间分析

针对以前设计的风洞捕获六自由度机构不能满足现在行程的要求,提出了一种新型串并混联六自由度机构;同时对于D-H法不能针对所有机构建立运动学方程,应用基本坐标变换和D-H法联合对该整体机构建立了运动学的正解方程,并对机构在不同姿态工况下进行有限元分析;采用蒙特卡洛法分析其工作空间,并用SimMechanics中的仿真法进行对比,验证了运动模型与工作空间的正确性,结果表明在满足结构强度和刚度的条件下,使得X向和Y向行程提高4倍,Z向行程提高了4.8倍.     

基于非圆齿轮的机械臂重力补偿机构研究

目前大多数机器人工作过程中需要消耗大量能量来克服自身重力,为了降低能耗并提高机器人性能,提出一种用于转动关节机械臂的重力补偿装置,该装置采用非圆齿轮行星轮系扭转弹簧机构,可实现机械臂任意可达工作空间的重力补偿;建立机械臂静平衡力学模型,根据静平衡约束条件设计非圆齿轮行星轮系,对非圆齿轮行星轮系传动比分配进行讨论,得到满足力矩平衡的最简轮系;以2R平行四杆机构机械臂为例进行设计分析,并导入ADAMS中进行验证,仿真结果表明,重力补偿机构有效降低了驱动力矩。     

一种混联式上肢康复外骨骼结构设计与分析

针对现有上肢外骨骼存在的精度、稳定性与外骨骼体积之间的平衡问题,提出了一种8自由度的混联式上肢康复外骨骼机器人;设计了一种新型的2自由度肘部康复装置,代替传统的单自由度肘部外骨骼,旨在更好地实现上肢运动障碍患者的肘部训练;设计了一种共轴球面的3RRR/S机构,用于手部康复,可使手部的康复训练更具包裹性。根据混联外骨骼机构确立坐标系,使用矢量环路法建立机构刚体部分的运动学模型,并通过蒙特卡洛法绘制机构工作空间云图,验证其满足康复训练所需空间要求。最后,通过Matlab对一典型运动进行轨迹规划,在Adams获得末端质心运动平稳轨迹,验证了其运动学分析和结构设计的合理性;并通过约束多余自由度仿真其最大负载姿态,绘制其负载特性曲线,为驱动选取和样机搭建奠定基础。     

基于3-PCR并联机构汽车座椅减振装置的构型设计与工作空间分析

针对汽车驾驶员长期处于低频高强度全身振动的难题,提出以3-PCR并联机构作为汽车座椅减振装置的主体机构,其结构简单、工作空间大。首先,利用机构拓扑结构学理论对3-PCR并联机构进行自由度分析;然后,建立3-PCR并联机构的运动学模型,推导上下平台位姿之间的数学关系;最后,在Matlab软件中采用极限边界搜索法求解工作空间。     

微型3-PSP并联机构的工作空间及运动学分析

为满足在有限空间内实现对激光光束角度快速调节的需求,提出一种微型3-PSP空间并联机构,其中静平台的直径为Φ50 mm,机构整体高度范围为74 mm~80 mm;应用封闭环矢量法,建立并联机构运动学模型,得到机构运动学逆解;根据并联机构结构的几何特性求解运动学正解;在运动学逆解的基础上,结合驱动杆行程及机构结构参数,利用数值搜索法分析该机构的工作空间,并在Matlab中建立数学模型,绘制其可达工作空间点集;最后利用Solid Works及Adams协同仿真,对3-PSP并联机构进行正运动学仿真,证明机构能够实现三个自由度的运动,且运动平缓,无突变点。     

变胞汽车焊接机器人动态焊接工艺参数的设计与优化研究

变胞机构是基于机构运动过程中构件数目的变化和自由度的变化为特征的机构。一种汽车变胞焊接机器人,其通过三个支撑液压杆的组合动作实现动平衡板的摆动,同时通过电机控制的转盘结构实现立柱的周向旋转运动,另外通过调节液压杆实现连杆运动,可以实现多角度运动,本设计中通过平衡块实现变胞功能,使得机构自由度发生变化,从而改变机构杆件数量,使得整个装置动作变化更多,可以适应更大范围的工作空间。使用了关联矩阵及其逻辑运算对变胞过程进行描述和建立变胞焊接机器人动态焊接参数运动学模型,为后面进行运动学仿真和动力学仿真奠定基础。     

一种改进型三平移并联机构的运动学研究

根据Delta机构的结构,设计提出了一种改进型三平移并联机构。进行了机构的自由度、运动学和工作空间研究,建立了有关运动学模型。理论研究表明:该机构具有几何形状规则的作业空间,是一种较为理想的实现三维移动的并联机构机型。这为正确选择该机构的结构设计和运动学参数、实现机构的控制及工业应用奠定了基础。     

一种新型矿用正铲液压挖掘机的运动学分析

提出一种新型矿用正铲液压挖掘机,其工作装置是一个复杂的多环耦合机构。采用修正的Grübler-Kutzbach公式分析工作装置的自由度,得出该工作装置能够满足正铲作业要求,可以实现两个移动和一个转动。基于运动链环路理论,建立通用的机构运动学分析框图,并且利用该框图对机构进行运动学分析。基于运动学正解分析矿用正铲液压挖掘机的水平挖掘时理论可达的工作空间,得出该机构在水平挖掘时铲斗与地面的倾角为30°~50°时挖掘空间最优,满足挖掘机水平挖掘的作业要求。基于机构运动分析框图对机构进行速度分析,得到液压缸的输入速度与铲斗输出运动之间的雅可比矩阵。最后给出了五组数值算例,对运动学分析进行验证。研究结果为该机构的设计和使用提供重要的理论依据。     

微创手术机器人多从操作臂系统结构设计

为提高微创手术机器人术前定位效率和末端可操作性,设计了一种新型微创手术机器人多从操作臂系统,其包括术前定位机构和远心机构两部分.该系统的基座可以安装3条手术器械臂和1条内窥镜臂.远心机构通过平行四边形机构实现末端不动点,在俯仰、翻滚、平移3自由度的基础上添加冗余自由度,增大了工作空间.为便于医生术前对远心机构高度的调节,在术前定位机构的重力补偿关节处通过恒力弹簧补偿远心机构的重力.在多从操作臂系统结构设计的基础上,对主动部分和被动部分进行了正运动学分析.术前定位机构是对机器人主动部分进行术前定位,手术过程中被动部分各个关节将被锁死.对主动部分进行了逆运动学和工作空间分析,通过将SolidWorks运动仿真的运动轨迹与Matlab运算得到的机器人末端运动轨迹对比,验证了多从操作臂系统结构的合理性和运动学的正确性.     

机器人机构的反向可驱动性设计

为提高机器人与人合作或交互的质量,减少机构自身的重力、惯性等带给使用者的不舒适体验,研究机构的参数设计方法,以一种2自由度虚拟样机为例,综合考虑运动学与动力学各向同性,以操作空间使用者需要克服的最大惯性来衡量机构的反向可驱动性,分析机构参数对系统性能的影响.以运动学各向同性为指标,给出运动学参数设计标准.建立机构的动力学模型,考虑机构的重力平衡、反向可驱动性和动力学各向同性,给出各指标的影响因素.最后对一组特定参数进行校核和分析,并给出具体指标数据.该机构在工作空间中部具有好的各向同性,有部分重力未得到平衡,等效质量在工作空间中部很小,外侧稍大.根据改进设计建议,合理调节机构质量分布和关节杆长可有效提高系统性能.研究结果可以推广到各种以反向可驱动性为重要指标的机器人机构参数设计与校核.     

指向机构微调平台的结构设计与分析

针对提高指向机构定位精度的要求,充分利用压电陶瓷驱动器和柔性铰链的优点,设计一套基于压电陶瓷驱动的新型高精度的两自由度微调平台,并实现了微调平台的机构、驱动、检测的一体化。采用余弦矩阵法,对微调平台的机械结构进行运动学分析,并利用Ansys软件建立有限元模型进行静力分析,求出各关键零、部件的微位移和应力分布,验证了设计方案能够满足工作空间和强度准则的要求。     

航空发动机叶片原位打磨机构设计及运动学研究

分析了中压压气机叶片原位打磨工作自由度需求，设计了一款钢绳驱动、离散弹性脊骨支撑的原位打磨机构。采用几何分析方法，建立了驱动钢绳长度与脊骨弯曲角之间的正、逆运动学模型；根据D-H约定下的坐标变换，建立了弯曲角与末端打磨点空间位形之间的正、逆运动学模型。基于蒙特卡洛方法，对末端打磨点可达工作空间进行了仿真分析，并通过比较规划轨迹点与实际轨迹点之间的位置偏差，对运动学模型进行了验证。仿真结果表明：所设计机构的空间可达性满足中压压气机叶片原位打磨需求，其运动学模型准确，能够保证较高的末端定位精度。     

基于力觉交互装置的重力补偿方法研究

全胸腔镜手术具有四个自由度操作,基于此设计出了具有五个关节的力觉交互装置进行虚拟手术研究。为提高系统逼真感,考虑到装置操作杆自重的影响,需要对该装置进行重力补偿。首先需要对系统进行力学分析,本文基于旋量理论,导出了该装置的运动学形式及运动空间;基于变换矩阵,导出该装置的静力学形式;最后通过驱动电机输出补偿力进行了装置的重力补偿并加以仿真验证。     

新型RR-RURU踝关节康复机器人机构的设计与分析

基于无耦合RR-RURU转动并联机构设计出一种新型踝关节康复机器人。利用螺旋理论对机构进行了运动输出特性分析和自由度计算;推导出机构动平台的姿态方程和角速度方程,讨论了机构满足运动学完全各向同性的结构条件;根据机构分支运动链的运动螺旋系的线性相关性,分析了机构的运动学奇异性并给出其奇异位形;研究了机构的工作空间,得到其可达工作空间的三维图形。绘制出新型踝关节康复机器人的CAD模型,利用临床医学步态分析数据（CGA）得到其输出角位移曲线,并对其动力学进行了虚拟样机仿真。研究结果为该新型踝关节康复机器人的样机试制提供了理论基础。     

三自由度并联姿态测量机构及其运动学参数最优化设计

提出了基于并联结构的三自由度姿态测量机构，将其连接到三自由度串联结构位置测量装置末端可以实现对被测物体六自由度位姿的综合测量。该测量机构克服了并联机构运动学正解的困难，得到运动平台姿态坐标参数的显式解。建立了基于全微分理论的姿态测量机构坐标参数误差模型，实现机构运动学参数的优化设计。误差因子分析使得机构运动学参数设计更为合理。     

面向太空碎片抓取的人工卷绕纤维驱动3指灵巧手设计

针对太空碎片抓取任务对抓捕机构的工作空间及灵活性等方面的要求,设计出1种采用人工卷绕纤维驱动的串并混联3指灵巧手。通过对手指的运动学分析,确定了每只手指的运动空间,并根据雅克比矩阵,采用条件数研究了其灵巧工作空间。利用人工卷绕纤维的温度-应变数据,设计出其温度控制模型。经计算验证,该灵巧手具有较大的工作空间及良好的灵活性,可以满足太空碎片抓取任务对抓捕机构的诸多要求。     

索杆混合驱动并联机构设计与工作空间分析

提出一种新型索杆混合驱动并联机构,在SolidWorks中构建整体装置模型。利用空间向量分析法推导了该机构的运动学逆解模型;分析了并联平台静止状态下受力平衡关系,建立静力学平衡方程,并在此基础上讨论了机构可控工作空间的求解方法;在给定机构运动副的约束条件下,对动平台姿态可控工作空间进行数值仿真,得到仿真图像。搭建索杆混合驱动并联机构试验平台,进行末端动平台位姿变换试验。试验结果与运动学模型和工作空间数值仿真图像对比,结果表明,动平台位姿与柔索长度的关系满足运动学反解模型,末端动平台姿态可实现工作空间仿真图像中最大姿态偏转角度。研究工作为后续机构的实际应用和性能优化奠定了一定的理论基础。     

码垛机器人运动学分析

针对四自由度码垛机器人采用的四连杆机构进行结构分析,利用D-H法建立机器人运动学模型进行运动学分析,包括机器人的正运动学、逆运动学、作业空间和灵活性的分析,利用MATLAB软件进行了作业空间的仿真,并在实验室环境下对码垛样机进行了试验验证,试验结果验证了机器人作业空间和工作能力的可行性。     

挖掘机工作装置运动学建模与分析

为实现挖掘机作业自动控制,建立了挖掘机工作装置4自由度运动学模型。根据变量性质,将挖掘机工作装置分为4种工作空间:驱动空间、关节空间、位姿空间和检测空间。从运动学正解、逆解问题出发,充分利用挖掘机工作装置各构件间几何关系,分别求出了各工作空间之间位置及速度的非线性映射关系。结论为运动控制器设计提供了理论指导。     

主操作手结构设计及运动学参数标定

为更好地提升机器人主操作手性能,减少由于机构重力导致的操作疲劳感并提高位置精度,设计了一款7自由度主操作手:大臂机构为一平行四边形机构,提供前后和左右自由度;小臂机构提供上下自由度;手腕机构提供俯仰和偏航自由度;末端操作器机构提供自转和开合自由度。为提高主操作手位置精度,在主操作手结构设计的基础上,应用旋量理论建立了主操作手的运动学及其误差模型,采用最小二乘法对运动学参数进行了辨识,并进行了标定实验。结果表明,经过运动学参数标定后,主操作手的最大位置误差改善了67. 43%。