绳索牵引骨盆康复机器人的轨迹规划

根据正常人步态运动中骨盆在水平面内的运动情况,对绳索牵引康复机器人进行了轨迹规划研究。依绳索牵引骨盆机构方案,用影响系数方法建立绳索牵引骨盆康复机器人运动学方程,得出骨盆运动与绳索运动的映射关系;基于达朗伯原理建立骨盆的动力学方程,求解出绳索拉力解,并对绳索驱动单元建立动力学方程。通过MATLAB软件对骨盆在步态运动过程中的轨迹进行仿真,得到了各根绳索位置、速度、加速度变化曲线;在考虑绳索工作承受最小拉力和最大拉力阈值的限制时,仿真各根绳索所受拉力变化曲线,可得各根绳索拉力处于对外力平衡和内力平衡的情况,并得到施加在伺服电动机上的电压变化曲线。     

基于摆线运动规律的悬索并联机器人轨迹规划

六自由度绳索悬挂式并联机器人属于大柔性机械系统，为保证运动的平稳性，要求动平台的运动轨迹光滑连续，为此提出了基于摆线运动规律的笛卡儿空间连续轨迹规划方法，该方法计算简单，实时性好。利用该方法对直线轨迹、圆轨迹和过离散点轨迹进行了规划。运动学和动力学方程的计算结果表明，绳索的速度、加速度和拉力变化连续平缓，而且绳索拉力始终大于0，因此动平台运行过程中动态响应小，绳索张紧可靠。该方法适用于悬索机器人的轨迹规划，同样也适用于对运动平稳性要求较高的其它机器人系统。     

绳索牵引桥式抓斗卸船机绕绳系统

北仑港使用的２１００ｔ／ｈ绳索牵引桥式抓斗卸船机是采用带补偿小车式抓斗,其牵引小车绕绳系统可延长钢丝绳使用寿命,采用４绳牵引,从而使抓斗起升绳、开闭绳和牵引绳通用。文中示出了绕绳系统及牵引绳平衡架结构图、滑轮设计参数以及在不同工况开斗时闭合绳的垂度实测值。     

绳索-弹簧机构工作空间分析

对于绳索牵引并联机构,因绳索只能承受拉力而不能承受压力,因此完全约束的n自由度绳索牵引并联机构至少需要由n+1根绳索来驱动,冗余驱动会导致成本增加,绳索拉力求解复杂。绳索牵引并联机构中,在末端执行器与机架之间选择适当位置引入弹簧,构成绳索-弹簧机构,由弹簧来提供被动力,则可以实现绳索驱动器与自由度数目相同的可控绳索-弹簧机构。以平面3根绳索1根弹簧机构为例,建立模型,求解可行工作空间,分析弹簧参数对绳索-弹簧机构可行工作空间的影响,采用遗传算法对机构构型进行优化,并对比分析优化前后的工作空间指标。结果表明,绳索-弹簧机构在构型优化选择适当的弹簧参数后,可以显著改变工作空间及其质量,为后期规划动平台的运动轨迹提供参考。     

6自由度绳牵引并联机构的运动轨迹规划

首先,基于6自由度绳牵引并联机构的运动学逆解模型,给出了可用于运动轨迹规划的绳的速度和加速度 的一般结论:绳的速度值始终不大于动平台上相应铰链点的速度值;而正的绳加速度值始终不大于动平台上相应 铰链点沿绳拉力方向的加速度值。接着,提出一种适用于大部分工作空间的绳拉力的计算算法。然后,选择一个 结构紧凑的6自由度完全约束定位机构,以末端执行器能实现空间螺旋∞型的轨迹为目标,进行运动规划,研究 绳的运动特性。仿真结果验证了以上所得到的一般性结论。同时表明,一些绳的拉力的变化不大;而另外一些绳 的拉力的变化很大。这些运动轨迹规划的仿真结果,能为以后该机构的运动控制方案的研究提供依据。提出的运 动轨迹规划方法对一般的6自由度绳牵引并联机构都适用。     

绳驱动仿腕关节的绳索拉力分布和动力学分析

为模拟人臂腕关节的结构功能,提出了有别于传统仿生关节的3自由度绳驱动并联结构,即动平台与静平台通过一球副连接实现腕关节的转动功能。绳索的引入给机构带来建模和控制上的难度。首先,忽略绳索重力特性,采用Lagrange法建立其标准动力学方程。同时,考虑绳驱动的冗余特性和绳索的单向受力性,提出了绳张力分布优化模型,通过遗传算法得到了绳拉力分布。其次,针对腕关节存在的绳索质量对机构的影响,建立了考虑绳质量的悬链线动力学模型。最后,对两种模型进行仿真,并对比了仿真结果。     

牵引伞伞绳张力传感器设计

设计了一种新型牵引伞伞绳张力传感器。为了实现大量程、绳索无损和便于安装与拆卸,传感器结构设计为旁压梁式结构。对传感器弹性体进行了有限元的静力分析,通过ANSYS分析得到传感器弹性体受力梁应变变化规律,找到应变片最佳黏贴位置。按照设计结构加工了传感器并进行了拉力实验。实验测试和数据分析结果表明,该传感器设计满足牵引伞伞绳的张力测量要求。     

介入手术机器人滑轮绳索系统传动特性的研究

针对介入手术导管机器人绳索运动过程中存在非线性摩擦力的问题,对滑轮-绳索系统传动特性进行了研究,利用经典Capstan方程对传动过程中绳索受力进行了分析,建立了摩擦力与包角的函数关系,并根据Power法则分析了摩擦力与材料接触特性的关系;利用拉力传感器对传动过程中绳索的输入力和输出力进行了测量,并通过改变包角大小对绳索系统摩擦力进行了实验,分析了传动模型的准确性。研究结果表明:滑轮绳索系统运动过程中摩擦力大小与包角及材料的接触特性有关,当采用高分子材料作为驱动绳索时,考虑到粘弹性变形,绳索受到的摩擦力较小,系统传动效率可到达90%,保证了力控制的精度。     

绳牵引并联机构拉力分布优化

由于绳只能承受拉力,绳牵引并联机构必须采用冗余驱动。这种驱动冗余性导致无法平凡地求解各根绳的拉力值。而机构运动控制必须实时计算各根绳的拉力。为寻找绳拉力的优化解,必须研究绳拉力分布的优化问题。引入Verhoeven将绳拉力优化问题转换成一个在凸多面体上的非线性优化问题的研究方法,即将绳拉力的优化解表示成最低解和最高解的线性插值。由于优化解在某些情况下不连续,有必要将优化解做p-范数近似表达。探讨优化解的p-范数近似表达的实际算法,并对4根绳牵引的2自由度并联机构的最高解和最低解求解进行实例仿真。     

基于高速视觉的绳索牵引并联机器人轨迹跟踪控制

在绳索牵引并联机器人中,实时测量动平台位姿是实现高精度轨迹跟踪控制的关键环节。为此,设计一种基于高性能工业相机的高速视觉测量系统,实现绳索牵引并联机器人的运动学视觉伺服控制。设计一种基于感兴趣区域的位姿跟踪算法,并且加入Auto-Regressive(AR)模型对位姿进行实时预测,避免了绳索牵引并联机器人复杂的正运动学求解。以此为基础,构建了工作空间的运动学视觉伺服控制方案,在实际6自由度绳索牵引并联机器人上进行了轨迹跟踪控制试验,试验结果表明基于高速视觉测量的工作空间控制方案明显优于基于编码器反馈的关节空间控制。     

大型射电望远镜馈源定位3T索牵引并联机构分析与设计

在新一代大型射电望远镜的机构设计中,由于馈源质量的大幅降低,在馈源定位的设计中,提出采用四绳索牵引并联机构,牵引馈源舱实现三个方向的平动运动,达到加大馈源工作空间的目的.为了研究非线性绳索控制机构中的尺度优化设计问题,在已知馈源舱位置的情况下,为解决由于绳索自重导致的悬链线问题,通过将悬链线简化成抛物线的方法,解决悬链线带来的高度非线性静力平衡方程组的求解问题,得到简化的静力学平衡方程.通过建立的简化静力学平衡方程,求解出四绳索牵引并联系统的工作空间与设计参数间的关系,并使用一种以力优化为目标的优化算法得到工作空间中四绳索静力平衡下的精确索拉力和伸长量.通过综合考虑满足条件的参数,最终给出满足设计要求的机构优化尺度参数.     

6UPS并联机构静态误差的矢量法标定

分析了不同误差对并联机构的影响，通过对机构进行位姿误差分析，建立了采用并联机构运动学反解模型的矢量法误差求解模型；研究了常用的机构标定方法及相应的测量工具，使用激光干涉仪完成了误差测量实验，并按照矢量法误差模型对测量结果进行了分析计算，使用多组姿态数据的不同组合进行误差计算，并对误差影响区域及区域重心进行拟合处理，获得了优化的机构静平台、动平台铰链的位置误差数据。使用位置误差数据可以获得更好的补偿效果。     

起重机6自由度IRPMs柔索牵引并联机构绳索特性及运动轨迹规划

针对起重机6自由度IRPMs柔索牵引并联机构运行过程中绳索特性及运动轨迹规划问题,建立6自由度柔索牵引并联机构运动学模型,采用运动学分析方法,基于D'Alembert理论提出满足大部分工作空间条件的柔索特性计算方法,并以起重机并联机构末端动平台能实现空间螺旋线轨迹为目标,进行运动规划。研究结果表明,动平台举升过程中柔索长度整体呈现下降趋势,合成方向速度、加速度始终大于各柔索速度、加速度,由于各项指标数值上均呈现平稳变化趋势,故系统符合实际运用中对动平台运动平稳性要求;动平台举升过程中各方向和合成方向上整体位移速度、加速度均呈现周期性变化,且变化较小仍能满足平稳性要求;动平台在举升过程中,由于柔索与x、y、z方向的夹角相对减小,系统中各柔索拉力均呈现相对增长趋势。     

空气动静压径向轴承实验台加载装置误差分析

通过对空气动静压径向气体轴承实验台加载机构进行力学分析,建立相应的力学模型,并构造出误差函数,进行了误差计算与分析,消除了由于加载机构的弹簧拉力方向角度误差对测量气体轴承气膜支持力的影响.     

面向在轨装配的八索并联机构构型设计与工作空间分析

针对大型空间结构的在轨装配任务,提出了由八根绳索驱动的索并联机构,具有结构简单、质量轻、工作空间大的特点;针对绳索并联机构的构型综合问题,定义了出线点和绳索与中心执行器连接点的关联矩阵,在此基础上考虑约束条件综合出了八索并联机构的18种有效构型;计算了不同构型的力封闭工作空间以及针对在轨装配任务时的力螺旋可行工作空间,以工作空间体积为指标筛选出了最佳构型;分析了绳索拉力范围以及绳索与中心执行器连接点的位置变化对机构力螺旋可行工作空间的影响,并且对连接点的位置参数进行了优化。     

2自由度绳索牵引并联机器人的高速点到点轨迹规划方法

合理的轨迹规划方法可以提高机器人运动控制的平稳性、快速性和工作效率。当前绳索牵引并联机器人的轨迹规划方法主要采用多项式函数和三角函数满足平稳性要求,但规划算法复杂、快速性较差。针对一种2自由度绳索牵引并联机器人,根据动力学模型推导绳索拉力的单向性约束条件,提出一种新的点到点轨迹规划方法——S型-梯形组合规划方法。考虑到具体的点到点轨迹包含若干个需要依次到达的目标点,构成起始段、中间段和终止段三种不同的运动段,故采用S型-梯形组合规划方法分别设计这三种运动段的速度曲线,使得机器人在起始点和终止点的加速度为零,而中间若干点的加速度不为零,实现动态轨迹规划。仿真试验表明所提出的规划方法不仅可以满足绳索拉力的单向性约束条件,且加速度为简单的一次曲线,可以实现高速的点到点运动。     

基于绳索驱动的并联康复机器人的研究

针对腰部康复训练过程中如何协调控制患者骨盆运动轨迹的问题,设计了由6根绳索牵引的四自由度并联机器人。采用封闭矢量四边形法和Newton—Raphson迭代法建立了该绳索驱动并联平台运动学正、逆解计算模型。基于骨盆运动规律,对绳驱动机器人进行了运动仿真,得出了驱动绳索长度、速度、加速度变化规律,并通过实验验证了所构建并联平台运动学模型的正确性。     

基于绳索驱动的并联康复机器人的研究

针对腰部康复训练过程中如何协调控制患者骨盆运动轨迹的问题,设计了由6根绳索牵引的四自由度并联机器人。采用封闭矢量四边形法和Newton-Raphson迭代法建立了该绳索驱动并联平台运动学正、逆解计算模型。基于骨盆运动规律,对绳驱动机器人进行了运动仿真,得出了驱动绳索长度、速度、加速度变化规律,并通过实验验证了所构建并联平台运动学模型的正确性。     

3-2-1构型丝线并联机构的工作空间分析

3-2-1构型的人体运动测量单元作为研究对象,为了计算测量动平台的工作空间,文中分别详述了限制动平台运动的四个限定条件,即绳与绳之间的干涉、绳与末端执行器的干涉、绳长限制和相容性条件,然后利用这四个限定条件求解动平台的位置工作空间和方向工作空间。本文所确立的算法不仅为基于拉线的人体运动测量系统工作空间计算提供了方法,也为丝驱动机器人工作空间的计算提供了参考。     

绳驱动机器人被动解耦模块的设计及验证研究

针对绳驱动关节机器人中前后关节独立运动时各关节驱动绳索的运动耦合问题,对绳索的关节耦合关系进行了研究,创新设计了一种新型绳驱动被动解耦机构。采用一种新型的绳索缠绕方式,利用解耦绳索的正反向缠绕带动随动轮以1/2的前端关节角速度运动,使以类似方式走线的两股后端关节驱动绳索在导线轮盘上分别缠绕脱落,避免后端关节驱动绳索在通过前端关节时因前端关节运动而产生绳长变化,以解决绳驱动串联机器人的绳驱关节耦合问题,并搭建了解耦模块验证实验平台,验证了设计的合理性。实验结果表明:该绳驱动被动解耦机构能够补偿前端关节运动导致的后端关节驱动绳索的绳长变化,实现运动耦合的解耦;但受制于绳索自身的弹性,解耦机构在关节换向时会存在一定的解耦误差。