一种3-RPS并联平台机构偏转能力的分析

基于3-RPS并联机构的位置反解,在考虑杆长、运动副转角及杆间干涉等约束的情况下,利用搜索法求得了机构动平台相对于定平台运动的姿态工作空间（即偏转能力）,研究了动平台姿态工作空间与垂直于定平台的向移动位置空间的关系,并分析了机构主要结构参数对动平台偏转能力的影响。     

一种高效的酉空时信号译码算法

针对系统产生的酉空时码,提出一种高效的译码算法.接收机计算连续产生的L/2+W(L为星座点数目,W为窗长)个星座点与接收信号的内积范数,将L/2+W个内积范数每隔W的范数值相加,得到L/2个和值;从所得到的和值中搜索极大值,通过该极大值的位置可以将搜索范围降低至3个星座点,最后比较这3个星座点便可搜索到全局最优解.所提算法可以有效地降低最大似然(maximum likelihood,ML)算法的搜索空间,窗长W越小搜索空间降低越多.计算机仿真结果表明,针对给定的星座点,当窗长W为4时,所提算法将ML算法的搜索空间降低一半,而信噪比损失只有2 dB左右.     

带预定时标平面四杆机构刚体导引综合的代数求解

为弥补精确点法、优化法和数值图谱法等已有方法的不足,进一步提高带预定时标平面连杆机构刚体导引综合的精度与效率,提出了一种基于傅氏级数的平面四杆机构刚体导引综合的代数求解方法。依据平面四杆机构连杆转角函数是周期性函数的性质,根据傅氏级数理论,建立了用傅氏级数描述的平面四杆机构连杆转角函数的数学公式,并通过离散傅立叶变换得到连杆转角函数傅氏级数展开的谐波参数,将机构连杆转角函数表示成了以输入曲柄转角为自变量的函数,进而通过分析平面运动中刚体导引标线转角函数与机构连杆转角函数之间的内在联系,得到了二者谐波参数间的函数关系。在此基础上,根据复矢量理论,建立了平面四杆机构的封闭矢量方程,将由傅氏级数表示的连杆转角函数带入机构封闭矢量方程,通过消元、化简将方程进一步转化为仅由机构基本尺寸参数、连杆转角函数谐波参数和输入曲柄转角表示的复数方程。依据复指数的性质,得到了含有机构基本尺寸参数和连杆转角函数谐波参数的表达式,根据前面分析得到连杆转角函数与刚体导引标线转角函数谐波参数间的函数关系进行变量代换,确定了刚体导引标线转角函数谐波参数与机构基本尺寸参数间的函数关系。依据这一函数关系建立了新的平面四杆机构刚体导引综合设计方程,利用配析消元法进一步将综合设计方程化简为含有机构基本尺寸参数和刚体导引标线转角函数谐波参数的一元三次方程,求解得到了方程的解析解,建立了由刚体导引标线转角函数的谐波参数直接计算机构基本尺寸的通用公式。平面四杆机构的基本尺寸确定后,应用离散傅里叶变换计算得到刚体导引位置的谐波参数,根据刚体导引位置和连杆转角函数谐波参数间的关系,推导得到了机构实际尺寸和安装位置参数的计算公式。在理论分析的基础上,进一步归纳总结明确了使用该方法进行机构刚体导引综合的具体步骤,建立了一种求解带预定时标平面四杆机构刚体导引综合问题的代数新方法,并依据综合步骤利用MATLAB软件编写求解程序,通过综合设计实例验证了该方法的有效性和可行性。结果表明：该方法在实现了直接进行带预定时标刚体导引机构综合的同时,克服了精确点法受机构未知量个数限制,无法实现更多刚体导引位置综合的不足。与已有数值图谱法和优化法相比,该方法不需要预先建立数值图谱库,也不需要提供优化初值,其通过方程求解得到综合设计结果,具有求解精度高、计算速度快、可重复性强的优点,更加便于计算机编程,为开发方便快捷的机构综合软件提供了理论基础。     

一种5轴混联加工中心的位姿正逆解分析

为了解决目前纯并联机床存在的问题,研究了一种新型5轴混联加工中心结构,该新型结构具有工作空间大、静动态刚度好的优点.针对其运动参数间存在较强的耦合性,给出了运动平台姿态参数与位置参数间的数学解耦关系,将解析法和数值法相结合,对其位姿逆解进行了详细的推导,同时借助改进的杆长逼近法,进行了位姿正解的推导.实例验证结果表明算法正确、有效.该算法对混联机构的运动分析具有一定的参考意义.     

关节型检测医疗机器人结构的规划与研究

从实际应用出发开发了一种用于检查肝胆腹部的医疗检测机器人。规划并设计了由7个转动关节构成的医疗机器人扫描臂的结构。根据机器人运动学原理推导出医疗机器人手臂空间运动学方程式,得到各杆臂相对基础坐标系的位置和姿态矩阵。根据实际情况预设各杆臂的长度和各关节的转角值．运用机器人运动学正解法求得机械臂前端的扫描范围。计算结果表明：在预设的参数下．医疗机器人采用7个纯转动关节联结机械臂可满足使用要求。同时,对于灵活工作空间较大的医疗机器人的设计提出了有效的规划方法。     

可满足微创手术灵活工作空间的混联机器人研究

针对微创手术对机器人提出的高灵活性要求,设计出一种具有混联结构的微创外科手术机器人,并通过灵活工作空间分析进行结构优化。为合理布置手术切口及规划手术路径,利用末端手术工具服务球和服务区进行工作空间灵活性分析,通过数值解得到混联机器人工作空间内任意点的灵活度,并绘制出工作空间水平截面灵活性分布图,为手术切口位置和工具杆末端运动路径提供工作数据;再以工作空间水平截面灵活度大于0.85的灵活点数目作为评价指标,定量分析了姿态机构腕关节转角范围及手术工具杆长度对灵活性的影响,为微创外科混联机器人的结构优化提供了计算依据。仿真对比和优化后的实物实际运动结果均证明了该混联机器人可满足微创手术的灵活性要求。     

基于差分进化的并联机器人位姿正解

利用并联机器人位姿反解容易求取的特点,把并联机器人的位姿正解问题转化为假设已知位姿正解,通过位姿反解求得杆长值,并使所求得的杆长值与给定的杆长值之差为最小的优化问题,然后利用差分进化的全局寻优能力来直接求解并联机器人的位姿正解.6-SPS型并联机器人位姿正解的数值仿真结果表明,该方法较遗传算法求解精度高且收敛速度快,经过508步迭代之后,位置误差小于0.000 1 mm,姿态误差小于0.000 1°.该方法不仅避免了繁琐的数学推导和迭代初值的选取,又可以获得符合精度要求的运动学正解,为解决并联机器人正向运动学问题提供了新的计算策略.     

Stephenson-Ⅲ型平面六杆机构轨迹综合的代数求解

为弥补精确点法、优化法和数值图谱法等已有方法的不足,进一步提高Stephenson-III型平面六杆机构连续轨迹综合的精度,提出了一种基于傅氏级数的平面六杆机构轨迹综合的新方法。通过将Stephenson-III型平面六杆机构拆分为四杆机构和二级杆组,对设计变量进行解耦。在利用已建立综合方法得到左侧四杆机构设计参数的基础上,依据复数矢量理论,建立了含有右侧二杆组设计变量的封闭矢量方程式,将由傅氏级数表示的连杆转角函数带入封闭矢量方程中,经过消元、代换将方程转化为由设计变量、连杆转角函数谐波参数和输入转角表示的复数方程。根据复指数的性质,得到了含有机构设计变量和连杆转角函数谐波参数的表达式,确定了转角函数谐波参数与设计变量间的函数关系。根据这一函数关系建立综合设计方程,利用Groebner基代数法进行消元,将综合设计方程化简为含有机构设计参数和连杆转角函数谐波参数一元四次方程,求解得到右侧二杆组设计变量的解析解,建立了右侧二杆组设计变量计算的通用公式。利用该方法进行连杆机构轨迹综合,可以得到左侧四杆机构的12组设计参数以及右侧二杆组的4组设计参数,将所得结果进行组合,最终可以得到48组Stephenson-III型平面六杆机构轨迹综合设计参数,通过运动仿真程序对综合结果进行验证,检验其是否存在曲柄,有无分支、顺序问题,并依据综合误差,最终可得到满足要求的设计参数值。在理论分析的基础上,进一步归纳总结明确了使用该方法进行轨迹综合的具体步骤,建立了一种求解Stephenson-III型平面六杆机构轨迹综合问题的代数新方法,利用MATLAB软件编写求解程序,并通过数值实例验证该方法的有效性和可行性。结果表明：该方法实现了Stephenson-III型平面六杆机构的连续轨迹综合,克服了精确点法受机构未知量个数限制,无法实现多点位轨迹综合的不足。与已有数值图谱法和优化法相比,该方法不需要预先建立数值图谱库,也不需要提供优化初值,其通过方程求解得到综合设计结果,具有求解精度高、计算速度快、可重复性强的优点,更加便于计算机编程,为开发机构综合软件的开发提供了理论基础。     

球面手腕康复机构逆运动学解新方法及应用

针对球面手腕康复机器人的末端执行机构——共轴3RRR球面并联机构(CSPM)存在逆运动学解不完整性或无解析解的问题，提出基于欧拉角的逆运动学分步求解方法.根据共轴球面并联机构的特性，可以将CSPM姿态欧拉角分解为绕Z轴和绕X、Y轴旋转的2个子姿态，求解绕X、Y轴旋转子姿态逆运动学解的集合.选取每个关节逆运动学解集合中的较小值，与绕Z轴旋转的角度相加作为CSPM逆运动学解，利用CSPM正运动学验证了所提方法的正确性.在真实手腕运动范围的基础上，以无连杆碰撞点和无奇异位形为约束条件，使用所提方法求解手腕康复装置的实际姿态空间.在实际的姿态空间内，将提出的逆运动学求解方法与单位四元数相互转换，将单位四元数插补应用于CSPM运动规划中，理论计算结果与试验结果均为光滑的轨迹曲线，两者误差的最大值不超过2.5°.     

三自由度虚轴机床作业空间研究

定义了三自由度虚轴机床的作业空间、可达作业空间和灵活作业空间的概念 ,提出了灵活作业空间是三自由度虚轴机床可达作业空间的一级子空间 ,可达作业空间的其余部分是机床可达作业空间的二级子空间的观点。根据三自由度虚轴机床运动学方程 ,构造出三自由度虚轴机床作业空间的实体模型 ,分析了机床的可达作业空间和灵活作业空间。研究了相关参数包括最大杆长、最小杆长、上下平台外接圆半径差和上下平台外接圆柱高对三自由度虚轴机床作业空间的影响关系 ,绘制了各种影响的关系曲线 ,对合理设计三自由度虚轴机床的灵活作业空间起到了重要的参考作用     

新型三平移并联机构的工作空间和运动灵活度分析

文章通过位置逆解公式,描述了机构输入与输出速度关系的逆雅可比,对该并联机构作业空间和运动灵活性进行了分析,给出了一尺度参数下机构作业空间及运动灵活性的分布规律。分析表明,该机构具有几何形状规则的作业空间及较好的运动灵活性,是一种较为理想的能实现三维移动操作的并联机构选型,获得的结果可应用于该并联机构的设计之中。     

六自由度并联机器人工作空间分析

介绍了基于并联机构运动学逆解的并联机构工作空间极限边界数值搜索算法,对六自由度并联机器人的位置工作空间、姿态工作空间以及考虑了关节几何约束的并联机器人的工作空间等问题作了讨论,并得到了并联机器人工作空间的实体模型．     

Orientation angle workspaces of planar serial three-link manipulators

This paper presents a classification on the workspaces of planar serial three-link manipulators, that is, position workspace and orientation angle workspace. Position workspace indicates the region reached by the reference point on the end-effector. Orientation angle workspace indicates a set of angle ranges by which the end-effector can reach with certain orientation for every point in the reachable position workspace. By introducing a virtual equivalent mechanism, reachable position workspace can be divided into several Grashof intervals and non-Grashof intervals. The calculation equations of orientation angle workspace are deduced in three situations according to the relationships among four link lengths in the virtual four-bar chain. Three examples are given for three kinds of relationship of link lengths. The orientation angle workspace of extended groups, that is, two of the three link lengths equal, and the orientation angle workspace when the reference point on the end-effector moves along a non-radial direction are also discussed. A program is developed to calculate orientation angle workspaces and output variation curves of orientation angle workspace and key data within the position workspace. The approach and program in this paper can be used for fast calculation and identification of the variation rule of the orientation angle workspace of any given planar serial three-link manipulator on the basis of its link parameters, and for the design of a highly dexterous serial manipulator with proposed link relations. Supported by the Natural Science Foundation of Shanxi Province (Grant No. 20041070)     

Planar Serial Manipulator Motion Synthesis

This paper deals with the universal serial manipulator on the inverse kinematics problem of plane type,the fast working space solution method,and the obstacle avoidance path planning method. With the vector projection as the main constraint condition of the target,it proposes a general form of the inverse kinematics solution which does not depend on the robot configuration of freedom degree. By identifying the target vector direction maximum and minimum workspace boundary and determining the destination vector by thick search on the workspace boundary method,an expressing method of the polar coordinate form of work space is then introduced. Finally,according to the form of plane trajectory planning for obstacle avoidance problem,the method of solving the inverse kinematics solution of the concave and convex forms of the safe obstacle avoidance area is improved. The simulation results verify that the proposed method has feasibility and generality.     

一种2自由度平面并联机器人的精度分析

以一种2自由度平面并联机器人机构为对象,分析了该并联机器人机构的误差源,首先利用图解法得到该平面并联机器人机构的可达工作空间和有效工作空间,再利用环路增量法和误差分离技术导出了末端位置误差与误差源之间的映射关系,因而为其在工作空间内的位姿误差建立了数学模型,给出了这个平面并联机器人机构位姿误差的计算方法,从而对其进行精度分析,最后借助于搜索法得到了其在有效工作空间内的误差分布图像.     

并联机构运动学与奇异性研究进展

为了发展更多新型结构的并联机器人,克服传统并联机器人工作空间较小、奇异性与运动学正解分析复杂的缺点,针对并联机构运动支链结构形式,将并联机构分为杆支撑并联机构、绳牵引并联机构和钢带并联机构,并介绍了这3种并联机构的运动学原理.针对这3种并联机器人机构形式,从运动位置、工作空间、奇异位形3方面,对国内外并联机器人运动学与奇异性的研究现状进行详细的阐述.分析钢带并联机器人结构与驱动方式的特殊性,对钢带并联机器人在运动过程中由于钢带承载力有限导致失稳所带来的问题进行探讨.结果表明,并联机器人运动学与奇异性的理论研究方法还不成熟,需要从结构设计和理论2方面进行突破才能解决并联机器人发展的瓶颈问题,从而拓宽并联机器人的应用领域.     

基于螺旋理论的钢带并联机器人力学特性数值分析

为了克服传统的并联机器人工作空间较小、奇异性与运动学正解分析复杂的缺点,拓宽并联机器人的应用领域,提出一种新型的六自由度钢带并联机器人机构形式.阐述了钢带并联机器人结构组成、工作原理、钢带运动副关键技术,并对不同结构的钢带进行了有限元分析,得到结构参数改变时钢带能承受的失稳力.基于螺旋理论建立了钢带并联机器人力学模型,对刚带并联机器人受力进行数值计算,得到钢带并联机器人不同位姿与结构对各钢带受力的影响规律,为优化钢带并联机器人的结构与运动参数提供理论依据.研究结果表明：弯曲截面结构的钢带承压能力较好,钢带失稳力随钢带圆弧截面中心角、钢带厚度增大而增大,随钢带长度增大而减少.其他结构参数一定,载荷力为400 N时,动平台外接圆半径为210 mm,动平台沿Z轴运动范围受卷筒装置中钢带长度的限制,沿Y轴运动范围为-745~680 mm,沿X轴运动范围为-675~675 mm,动平台绕Z轴旋转角度范围为-87 °~87 °,绕Y轴旋转角度范围为-77 °~77 °,绕X轴旋转角度范围为-90 °~66 °.     

六自由度模块化机械臂的逆运动学分析

针对自主研发的六自由度(DOF)模块化机械臂,提出一种逆运动学求解方法.根据机械臂的结构特点和运动学约束,对机械臂的运动学进行分析.建立该类型机械臂的正运动学模型,得到了机械臂逆运动学的完整解析解.采用Denavit-Hartenberg(D-H)法对机械臂操作空间进行描述,在考虑机械臂运动学约束的基础上,得到以关节角度为变量的正运动学模型.通过分析正运动学模型的可解性,采用矩阵逆乘的解析法求解机械臂的正运动学模型,得到了该类机械臂逆运动学的完整解析解.通过仿真验证了正运动学模型及运动学逆解的正确性,运动学逆解可以用于机械臂末端执行器的精确定位和运动规划.     

气动三自由度并联机器人设计与仿真分析

为了设计一种具有良好运动学性能的并联机器人,以基于气浮无摩擦缸驱动的3-UPU并联机器人为研究对象,对其进行运动学建模以及工作空间、动力学仿真分析。通过三维建模软件设计3-UPU并联机器人物理模型;根据机器人几何关系推导其运动学方程并基于数值解法得到该机器人的工作空间;采用遍历法求解机器人各支链旋转角度范围,从而得到该机器人在其工作空间的最大输出力分布情况。仿真结果表明,该机器人具有良好的运动学性能。