精密柔索传动张力的分析与测量

精密柔索传动是一种通过主、从动轮之间有适当预紧的传动介质实现的摩擦挠性传动方式,具有轻质、高效、简洁等特点,在轻量化光电侦察吊舱等系统中得到了广泛的应用。张力是精密柔索传动系统的一项关键设计参数,可以有效调控传动特性。但是,由于空间结构尺寸所限,现有的张力测量方法难以进行精确测量。本文提出了一种改进型三点弯曲张力测量方法。建立了张力对传动特性的灵敏度关系,推导了基于抗弯刚度的张力测量修正模型。为了验证修正模型的有效性,将精密柔索传动单元下两种不同规格的传动柔索应用在三种不同跨距下,进行张力测试。实验结果表明,修正模型下的张力偏差均值大幅度减小,张力偏差能够缩小到5 N以内,满足柔索传动系统的张力测量精度要求。     

精密柔索传动天线座结构设计

通信技术向高频段、窄波束方向发展,对天线的指向精度提出了更高的要求。传动回差对天线的指向精度具有重要影响,为满足未来通讯技术的发展需求,文中研制了具有低空回特性的精密柔索传动天线座。基于柔索摩擦的欧拉公式推出了钢丝绳预紧力和天线座负载的关系,进而根据天线座负载力矩计算出钢丝绳的结构参数和预紧用碟形弹簧的结构参数。结构布局选用传统的俯仰–方位型座架,方位位于俯仰上方。张紧装置采用碟形弹簧从钢丝绳的端部进行预紧,可对多股存在长度误差的钢丝绳同时实现预紧。对原理样机的回差检测结果显示,该天线座具有明显的低空回特性,因此精密柔索传动在提升天线指向精度方面具有很大的应用潜力。     

并联机器人结构及驱动方式合理性的探讨

介绍了工业串联机器人结构中存在的不足,阐述了并联机器人的特点、应用范围、发展历程及其基本组成。对并联机器人按照变杆长驱动型、摆杆驱动型、柔索驱动型以及其他驱动型等4种典型传动结构进行探讨;分析了应用在并联机器人中的液压驱动、伺服电机驱动等不同驱动方式的优缺点,进而明确的指出交流伺服电机驱动方式在并联机器人领域具备明显的优势。     

流体传动技术在机器人中的应用

在深入研究流体传动技术和机器人技术的基础上,介绍了目前机器人技术的发展状况,阐述了流体传动技术的发展趋势,对流体传动技术在如今机器人中的应用进行了分析,探讨了流体传动技术和机器人技术结合的意义。     

一种可用于机器人关节的封闭型摆线包络精密减速器

提出了一种可用于机器人关节的封闭型摆线包络精密减速器,介绍了封闭型摆线包络精密减速器的结构创新。提出了摆线一次、二次包络啮合副,基于摆线包络理论,给出了摆线二次包络内齿轮、摆线轮修形齿廓的齿廓方程;试制了物理样机,并对其传动精度、传动效率等技术指标进行测试。实验结果表明,该减速器具有较高的传动精度和传动效率、承载能力大,可在机器人关节上广泛应用。     

机器人用减速器性能测试方法探讨

通过论述国内外机器人减速器性能检测技术研究现状，对比了与国外的差距，分析了机器人用谐波减速器和机器人用精密齿轮传动装置标准方法差异。选取机器人用谐波和RV减速器，对精密减速器的扭转刚度、传动效率两个关键性能指标的测试方法进行探讨，并对其测试方法进行了验证。通过探讨，结论是现行国标对机器人精密减速器的性能测试方法的规定不统一，机器人用精密减速器的扭转刚度和传动效率值都与角位移和转矩这两个基本参数相关，测量设备本身的精度和设计方法影响测量结果，设备标准化、集成化、智能化方面仍有较大发展空间。     

索杆高度可变的3自由度欠约束并联机器人的力学分析

柔索驱动并联机器人是并联机构中的一种特殊柔性机构,通过使用柔索代替刚性杆驱动末端执行器,其综合了柔性机器人和并联机器人两方面的优点。研究了一种索杆高度可变的3自由度欠约束并联机器人,根据矢量闭环原理,建立该机器人的逆运动学模型;根据柔索的长度,推导该机器人的正运动学模型;采用拉格朗日公式,建立该机器人的动力学模型;利用Monte-Carlo方法,研究该机器人的静力学工作空间;给定末端执行器的运动轨迹,通过机器人的逆运动学模型得出3根柔索的期望长度,以3根柔索的期望长度作为实验输入,得到3根柔索的实验长度曲线和拉力曲线以及机器人的正运动学轨迹。实验结果验证了该机器人的正逆运动学和动力学模型的正确性以及工作空间的有效性。     

机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战

机器人多指灵巧手是一种高度灵活、复杂的末端执行器,因其能够模仿人手的各种灵巧抓持和复杂操作能力,半个多世纪以来得到持续的研发投入和广泛关注,备受社会各界期待.综述分析了仿人型机器人多指灵巧手的演化过程、研究与开发现状.从仿生结构、驱动、传动、感知、复合/智能材料、建模与控制等方面分析了机器人多指灵巧手的本体复杂性,在部分功能复现、灵巧操作功能复现和人手功能的增强三个层次上分析了机器人多指灵巧手的应用复杂性,进而论述了基于多指灵巧手的复杂应用简化实现模式,阐明了机器人多指灵巧手的复杂性与易用性的辩证关系.最后从深度仿生、柔性感知技术、操作过程规划与控制策略、成本控制四个方面分析了多指灵巧手本体研究的趋势与挑战.     

混合驱动柔索并联机器人系统集成设计

混合驱动柔索并联机器人是机电高度集成系统,其动态性能由结构系统和控制系统共同决定。为了提高混合驱动柔索并联机器人整体系统的动态性能,并考虑到其结构系统和控制系统的密切耦合关系,对混合驱动柔索并联机器人的结构系统与控制系统进行集成优化设计。描述混合驱动柔索并联机器人系统的结构和运动过程;根据闭环矢量原理和机构的几何特征,对混合驱动柔索并联机器人进行运动学分析;基于Lagrange方程,推导出混合驱动柔索并联机器人的动力学模型;讨论优化过程中涉及的设计变量、约束方程表达式和目标函数,建立混合驱动柔索并联机器人系统的集成优化模型。结合实例,对混合驱动柔索并联机器人系统进行分离优化设计和集成优化设计的数值仿真比较研究,结果表明,集成设计方法能够使系统获得更好的动态性能。     

冗余并联柔索机器人变刚度控制的研究

在冗余并联柔索机器人的刚度研究中,大多忽略柔索的内张力,而实际上柔索内张力对系统刚度影响较大,尤其是并联柔索驱动机构。因此运用微分变换原理得到了冗余并联柔索机器人刚度矩阵的完整解析表达式,验证了冗余并联柔索机器人的刚度不仅与柔索刚度有关,还与柔索内张力有关。利用该刚度矩阵对冗余并联柔索机器人进行刚度规划,得到独立可控的柔索内张力期望值,并通过内张力控制实现冗余并联柔索机器人的变刚度控制,进行了仿真分析,验证了理论分析的结论。     

微型钢丝绳传动绳槽匹配及设计方法研究

微型绳传动是一种新型的精密传动方式,它以简单的形式替代以往复杂的机构,实现高精度,高刚性,低成本的传动,并形成了一整套传动体系。然而其传动特性并没得到普遍认识,其设计理论并不完善。笔者以一种新颖的钢丝绳传动为研究背景,分析了绳传动轴向运动特性,给出了实现正常传动时应满足的绳槽匹配条件,推导了绳传动中钢丝绳偏斜角表达式,并以此作为绳传动的设计准则,通过对实际绳传动系统设计验证了笔者提出设计方法的可行性。     

State-of-the-art on theories and applications of cable-driven parallel robots

Cable-driven parallel robot (CDPR) is a type of high-performance robot that integrates cable-driven kinematic chains and parallel mechanism theory. It inherits the high dynamics and heavy load capacities of the parallel mechanism and significantly improves the workspace, cost and energy efficiency simultaneously. As a result, CDPRs have had irreplaceable roles in industrial and technological fields, such as astronomy, aerospace, logistics, simulators, and rehabilitation. CDPRs follow the cutting-edge trend of rigid–flexible fusion, reflect advanced lightweight design concepts, and have become a frontier topic in robotics research. This paper summarizes the kernel theories and developments of CDPRs, covering configuration design, cable-force distribution, workspace and stiffness, performance evaluation, optimization, and motion control. Kinematic modeling, workspace analysis, and cable-force solution are illustrated. Stiffness and dynamic modeling methods are discussed. To further promote the development, researchers should strengthen the investigation in configuration innovation, rapid calculation of workspace, performance evaluation, stiffness control, and rigid–flexible coupling dynamics. In addition, engineering problems such as cable materials, reliability design, and a unified control framework require attention.     

五指仿人机器人灵巧手DLR/HIT Hand II

基于机电一体化设计思想和最新的驱动技术,研制DLR/HIT II仿人灵巧手。该灵巧手由5个相同结构的模块化手指和1个独立的手掌构成,每个手指有4个关节、3自由度,所有的驱动器和电路板均集成在手指或手掌内。采用新型的体积小输出力矩大的盘式无刷直流驱动电动机、质量轻的谐波减速器、齿形皮带等的驱动传动方案,使手指的体积和质量得到显著减小;采用钢丝耦合传动方案,实现手指末端两个关节的1:1耦合运动;手指具有位置、力/力矩、温度等多种感知功能。层次化的灵巧手硬件结构由手指电气系统、手掌电气系统和PCI总线控制卡等组成,灵巧手具有点对点串行通信、CAN以及网络等多种通信接口。在灵巧手的外观设计中,将外观设计与灵巧手的本体设计融为一体,实现灵巧手与人手相近的体积和外观。5指灵巧手的质量为1.5 kg,手指的指尖输出力10 N。     

Mechanical characteristics and experimental research of a flexible rope-sheave hoisting mechanism

Owing to such advantages as long transmission distances and compact structures, flexible rope-sheave lifting mechanisms are important for applications in disaster relief, emergency treatment, high-altitude operations, and robot transmission. Despite their long research history and wide range of applications, the mechanical properties of the interactions between flexible ropes and sheaves have been investigated by few studies, most of which rely on experience and experimental test results for design. The present study developed a mathematical model for the mechanical characteristics of a hoisting mechanism that was composed of a sheave with gear teeth, pressure wheels, and a flexible rope. The critical value for the hoisting mechanism’s slippage was analyzed, and the parameters that affected the lifting performance, such as the sheave groove angle and gear teeth, were simulated and optimized. The results were consistent with the experimental test data. The optimized rope-sheave lifting mechanism was further applied to the design and development of rope-climbing robots, and its lifting performance was experimentally tested. The research results presented in this paper described the mechanical characteristics of the flexible rope-sheave lifting mechanism, combined the mechanical model with the optimized design, and verified them through experiments; this provided guidance for more precise and quantitative applications of flexible rope-sheaves.

     

基于非线性分析方法的摆线针轮系统传动精度研究

以摆线针轮传动系统为研究对象，通过分析各零件受力状况，依据达郎贝尔原理建立该系统传动精度的非线性动力学数学模型，并用Newmark法对其进行求解。通过对摆线针轮传动系统动力学行为进行数值仿真，表明仿真结果与实测结果吻合较好。该方法适用于高精度摆线针轮系统的传动精度研究，为设计、制造高精度摆线针轮传动系统提供了相应的理论依据，同时也有助于其他类似齿轮系统的传动精度研究。     

基于凸轮控制驱动式的四足机器人行走机构设计与理论分析

针对当前四足机器人纯机械式驱动行走机构研究的不足,设计了一种凸轮控制驱动式的行走机构,该机构包括腿机构和凸轮控制驱动机构两部分。提出了腿结构的设计要求及四足机器人的总体机械结构。根据腿机构的设计要求,设计了一种3自由度的腿机构,并对3个控制参数作了理论求解。在此基础上,设计了凸轮控制驱动机构,包括髋关节凸轮机构、主凸轮机构和膝关节凸轮机构。     

Development of Gesture-Changeable under-actuated Humanoid Robotic Finger

Robotic fingers, which are the key parts of robot hand, are divided into two main kinds: dexterous fingers and under-actuated fingers. Although dexterous fingers are agile, they are too expensive. Under-actuated fingers can grasp objects self-adaptively, which makes them easy to control and low cost, on the contrary, under-actuated function makes fingers feel hard to grasp things agilely enough and make many gestures. For the purpose of designing a new finger which can grasp things dexterously, perform many gestures and feel easy to control and maintain, a concept called "gesture-changeable under-actuated" (GCUA) function is put forward. The GCUA function combines the advantages of dexterous fingers and under-actuated fingers: a pre-bending function is embedded into the under-actuated finger. The GCUA finger can not only perform self-adaptive grasping function, but also actively bend the middle joint of the finger. On the basis of the concept, a GCUA finger with 2 joints is designed, which is realized by the coordination of screw-nut transmission mechanism, flexible drawstring constraint and pulley-belt under-actuated mechanism.Principle analyses of its grasping and the design optimization of the GCUA finger are given. An important problem of how to stably grasp an object which is easy to glide is discussed. The force analysis on gliding object in grasping process is introduced in detail. A GCUA finger with 3 joints is developed. Many experiments of grasping different objects by of the finger were carried out. The experimental results show that the GCUA finger can effectively realize functions of pre-bending and self-adaptive grasping, the grasping processes are stable. The GCUA finger excels under-actuated fingers in dexterity and gesture actions and it is easier to control and cheaper than dexterous hands, becomes the third kinds of finger.     

输电线巡检机器人行走动力特性与位姿分析

根据跨越超高压输电线路障碍物的类型,提出一种新的双臂自主越障巡检机器人机构。该机器人采用复合轮爪机构在架空地线上连续行走并跨越障碍。由于架空地线呈悬链线状,机器人在连续行走过程中会出现上坡和下坡,对行走动力特性的影响非常明显。在上坡时行走电动机提供驱动力矩,在下坡时行走电动机提供制动力矩,以保持匀速巡线。详细分析了机器人在架空地线上行走时所处的加速、匀速、减速和停止的各个状态,驱动机器人所需的驱动力矩以及它们与机构参数之间的关系,并应用优化方法给出各个状态电动机驱动力矩最小时,机器人机构参数对应的最优解,为巡检机器人的设计和控制系统方案的确定提供了理论依据。     

大柔性灵巧手指弯曲仿真研究

针对传统机器人灵巧手弯曲柔性度不足等问题,提出了一种新型气动柔性弯曲关节—大柔性灵巧手指。为验证大柔性灵巧手指转角静态模型的正确性,首先,将该手指等效为悬臂梁,然后,通过ANSYS仿真软件模拟了手指在不同内腔气压下的弯曲模型,建立了手指弯曲角度与内腔压力的仿真关系曲线,结果显示该仿真关系曲线与手指转角静态模型曲线基本吻合;最后,通过实验研究得到了手指实际弯曲角度与实际内腔压力之间的数据关系,并通过Matlab软件整理仿真与实验数据得出了理论弯曲曲线与实际充放气曲线对比图。研究结果表明,该大柔性灵巧手指转角静态模型是正确的,这可为以后手指的进一步研究奠定一定的理论基础。