六由度并联机器人位姿控制分析与仿真

利用刚体空间六个自由度运动原理,以Stewart平台为例,介绍了并联机构正反解的基本原理。并针对并联机构更困难的正解问题,利用Matlab设计一个图形加数字坐标仿真程序,可以方便地求得并联机构符合实际客观条件的位置解,并直观地观察各杆件之间的空间关系。     

新型二自由度并联机构的运动学标定方法

精度不足制约着并联机构的发展,传统的并联机构运动学标定方法可以在一定程度上提高并联机构的精度,但其缺点在于对测量仪器的要求较高,计算量较大。针对一种新型二自由度并联机构,运用无参数化标定的方法对机构进行运动学标定。该方法不需要进行参数辨识,只需要通过外部测量设备测出机械手末端执行器的位姿,利用运动学正反解解出实际位姿与期望位姿之间驱动输入的差值,补偿到理论的输入中,即可得到补偿后的动平台位姿。计算机仿真结果表明,这种方法可以有效地提高动平台定位精度,证明了无参数化标定方法的有效性和可靠性。     

基于少自由度主动支链的2 R1 T并联机构

针对空间串联机构的工业机械臂在执行加工操作任务时,普遍存在刚度强度较差、重复精度较低、能耗较高等缺点。基于3条少自由度主动支链,课题组设计了一种具有2R1T自由度的2-RPU/RPS并联机构。计算并验证了2-RPU/RPS并联机构的自由度,获得了解析形式的位置逆解,证实了该机构仅可能发生运动学正解奇异;依据课题组提出的基于边界数值搜索法的工作空间求解流程,证实了动平台具有沿X方向约80°的较大姿态转动范围;通过Solid Works虚拟运动仿真获得了2-RPU/RPS并联机构驱动位移变化曲线。仿真结果表明:机构各驱动位移变化曲线均波动较小且在合理取值范围,说明驱动器运转平稳、能耗较低。本研究可为基于并联机构的复杂曲面工件多轴加工装备研发提供有益的参考。     

多自由度码垛机械臂抓取位姿控制方法

为解决目前码垛机的机械臂存在抓取位姿控制困难的问题,文章提出一种多自由度码垛机械臂抓取位姿控制方法。先建立机械臂连杆坐标系,然后对抓取任务的执行空间进行分析,设定抓取位置后对抓取操作进行简化,通过控制机械臂的轨迹,实现对机械臂抓取位姿的有效控制。实验结果表明：此方法关节角度误差≤5°,相比两种传统方法缩小了192°和154°。因此,多自由度码垛机械臂抓取位姿控制方法能够较好地控制抓取目标时的位姿,缩短了工作时间,在一定程度上提高机械臂的生产效率。     

3支链6自由度并联机构运动学研究

为了使并联机构在三维空间完成3个转动和3个移动的动作,可以进行全方位的运动,课题组提出了6自由度2PPRS-RPRS并联机构。课题组描述了该并联机构的构型,建立了机构的运动坐标系;利用螺旋理论求解了机构自由度,并运用修正Kutzbach-Grüble公式验证了自由度求解的正确性;根据支链与定、动平台间的相对姿态关系,推导了支链平面方程,并结合杆长不变条件,推导获得了该6自由度并联机构全部位置逆解的解析解;并基于三维边界搜索法,求解绘制出了机构的可达位置工作空间;最后,通过SolidWorks/Simmechanics的三维运动/参数可视化联合仿真,得到了机构的驱动位移相对时间的变化曲线。研究结果表明该机构构型设计、自由度分析正确,得出了该机构在三维空间内的运动学输入、输出的变化规律。     

仿人关节并串结构位姿求解算法研究

针对用于脑卒中患者上肢的康复训练,针对肩关节和肘关节运动的特点,课题组提出了一种6自由度仿人关节并串机构。该结构是由2种不同位姿并联机构进行并串组合而成,课题组利用Kutzbach-Grüble公式对其进行了自由度的求解;采用解析法对该机构进行位姿分析研究,运用了球面三角形余弦定理来分析机构运动中弧形杆弧长不确定的情况;采用分部求解法把整体问题拆分成2个互有关联的部分进行求解。结果表明:与传统的对整体结构直接求解的方法相比,课题组采用的求解算法大大减小了求解的计算量。文中研究的方法适用于同类型位姿分离的并串组合,对其他同类型结构的位姿分析具有参考意义。     

具备大转动能力的2-PUR-PSPR并联机构

针对目前复杂曲面工件加工时,需要加工设备具备大转动能力的需求,课题组提出了一种新型的RXRYTYTZ4自由度2-PUR-PSPR并联机构。机构同时采用移动外副和内副驱动,通过相互平行的大行程移动外副的驱动方向变换,辅以移动内副伸缩驱动的调节作用,控制动平台的运动。课题组基于螺旋理论和修正的Kutabach-Grübler公式,计算并验证了该机构的自由度;由机构闭环矢量方程建立位置逆解模型,并借助定杆长等约束条件,获得了该机构位置逆解解析式;基于边界搜索算法,应用MATLAB软件,求解出动平台Y轴方向位移恒定时机构的RXRYTYTZ工作空间。在Solid Works软件中进行仿真分析,结果表明:该机构具有工作空间范围大,动平台转角范围大,运行稳定等优点。课题组的研究可为大姿态转动能力机构设计提供一定参考。     

4PRR-P混联加工机构运动学研究

由于平面并联机构存在着动平台灵活度低,容易产生机构奇异,工作空间小等缺点,课题组提出了一种新型4PRR-P混联加工机构。基于螺旋理论验证了机构的自由度特征,建立了机构位置逆解数学模型,确定了机构的奇异位形。采用数值搜索法求解了机构的工作空间,通过考察各尺度参数对工作空间的影响,优选得到了机构的关键尺度参数。相关数值计算及运动仿真结果表明该机构可以解决平面并联机构存在的灵活度低、容易产生机构奇异、工作空间小等问题。文中运动学模型及性能分析结论合理正确,相关成果可为机构动力学分析、结构设计提供参考。     

伤员转运机器人自平衡系统的运动学研究

为了提高复杂灾变环境中伤员的救援效率和成功率,提出一种具有3R1T的4-UPS/PS并联机构作为伤员转运机器人的自平衡系统。利用螺旋理论对自由度进行分析并通过修正的G-K公式进行检验;采用封闭矢量法求得各杆长与动平台位姿间的关系;建立数值解方程,采用牛顿迭代法求解位置正解,利用数值验证正解的精度。通过ADAMS仿真软件对自平衡器的平衡过程进行运动性能仿真分析。实验结果表明机构运动性能优越,驱动性能良好,具有很强的可控性和稳定性,适用于救援转运机器人。     

含运动分岔闭链的多运动模式并联机构

为了探究变自由度可伸展机构、多轴联动多面加工机床和多步态灵活移动装置等新兴可重构装备的执行机构设计问题,课题组设计了含运动分岔闭链的多运动模式并联机构。并基于螺旋理论对分岔闭链、含分岔闭链的混联支链及并联机构的多种自由度进行研究。课题组提出了一种URRC(万向节-转动副-转动副-圆柱副)构型的运动分岔闭链,该闭链处于奇异位形时有2自由度瞬时运动,一般位形时有单自由度整体空间连续转动或单自由度平面连续运动。进一步,将URRC运动分岔闭链与5自由度RRS(转动副-转动副-球面副)开链串联,得到了一种具备5自由度和6自由度2种独立运动模式的混联支链。最终,将3条对称布置的URRC-RRS混联支链组装为运动分岔并联机构,该并联机构具有3转3移、3转2移、3转1移和2转1移4种运动模式。     

固定电机驱动的平面关节型机器人无参数运动学标定

针对传统平面关节型机器人(简称SCARA)运动臂质量大的缺点,设计一种固定电机驱动的SCARA。为提高其精度用无参数化标定的方法进行运动学标定,根据D-H方法,在空间坐标转换的基础上建立了该SCARA的数学模型,得到杆件间相对位置关系;通过外部测量设备测出末端执行器的位姿,利用运动学正逆解解出实际位姿与理论位姿之间驱动输入的差值,补偿到理论的输入中,得到补偿后的动平台位姿。通过计算机仿真表明该标定方法能极大提高末端执行器的位置精度,证明了无参数化标定方法的有效性和可靠性。     

某型捷联式惯导标定原理及步骤

文章针对某型捷联式惯导的六位置标定原理,首先建立了三轴的输入输出误差模型,然后详细介绍了六位置标定编排和过程,给出了数学模型中误差系数和零偏值的计算方法,最后通过三轴转台试验验证了六位置标定原理的可行性及模型的准确性。标定后的惯导导航精度满足工艺要求。     

曲面工件超声检测机器人误差补偿分析

针对曲面工件超声波检测过程中,超声检测机器人末端探头位姿误差对检测精度影响的问题。根据超声检测机器人自身特点,提出基于多关节摄动误差补偿原理逆向求解标定误差模型参数的方法,利用误差模型参数实现对检测中所有扫描点位瓷误差的实时补偿,提高检测的精度。首先,应用Denavit-Hartenberg方法建立超声检测机器人的运动学模型;其次,分析超声检测机器人的误差原因和来源,并利用矩阵微分原理建立误差模型;最后,结合超声检测机器人测距功能和多关节摄动误差补偿原理得到位姿误差实时补偿方法。通过螺旋桨曲面工件扫描检测实验验证该位姿误差补偿方法的有效性。图4表4参10     

无菌灌装机预成型凸轮连杆组合机构运动可靠性分析

为保证设计凸轮满足无菌灌装机高速状态下执行机构末端位姿高精度与运动稳定要求。基于谐波分析法对设计预成型凸轮机构末端在不同工作区段的动态响应进行校核;在ADAMS环境下对凸轮机构动态仿真得到执行机构末端夹爪的轨迹与机构在工作要求转速下的运动学与动力学特性曲线。结果发现,执行机构末端夹爪满足无明显振动响应要求;预成型凸轮连杆组合机构要求转速下凸轮与滚子能保持良好接触,摆臂的角加速度曲线平缓。     

基于单目视觉的微平台位姿测量方法研究

利用单目视觉检测六自由度微平台的三维运动位姿。将微平台抽象为长方体,并将长方体于世界坐标系固连在一起,知道其初始位姿,通过在在长方体上选取顶点和棱作为特征点和特征线,由固定好的摄像机对特征点和特征线在三维空间的位姿变化进行视觉跟踪,根据微平台与摄像机模型间的约束关系,最终得出微平台在三维空间的位姿。     

基于改进反演控制的食品分拣机器人末端执行器智能控制方法

目的:解决并联食品分拣机器人分拣过程中存在的末端执行器定位精度差、效率低等问题。方法:提出一种将模糊系统、模糊神经网络和反演控制算法相结合用于并联食品分拣机器人末端执行器的智能控制。建模信息由模糊系统逼近,未建模信息由模糊神经网络逼近和预测,反演控制完成控制输出,最后进行实验验证。结果:与传统控制方法相比,所提控制方法具有良好的末端执行器跟踪精度和控制效率,末端执行器误差小于0.3mm,分选效率达到1.99个/s。结论:该控制方法可以实现准确、高效和稳定的位置跟踪。     

新型二自由度移动并联机构设计

针对工业设备快速抓取物件的需求,基于并联机构具有的优点,提出了一种二自由度可快速移动的并联机构。对该机构的运动学进行分析研究,创建该平面二自由度的运动学模型,利用勾股定理推算出该机构的正反解,继而得到雅克比矩阵。最后利用杆件约束等条件得到该机构的工作空间。通过SolidWorks和MATLAB仿真软件求正反解验证了设计的正确性。该并联机构的横向位移较大,满足设计要求。     

六自由局局部闭链操作臂逆运动方程的一种新解法

给出了机器人逆运动问题中六自由度局部闭链操作臂逆运动方程的一种新解法。该方法是基于D－H方法模型,在求解中只需一次逆乘,不需要对操作臂末端位姿进行坐标变换,避免了大量的逆矩阵相乘运算,便于编程和控制。     

折纸启发的空间可折展末端执行器设计

为解决多自由度可折展机构及折纸机器人等末端执行器的控制问题,课题组提出了一种外部链节间接控制刚性折纸机构的方法.该方法中的机构无需组装,降低了系统的复杂性,且单自由度驱动可使得刚性折纸机构可逆地折叠和展开.课题组将刚性折纸机构与单环闭链机构进行结合,提出了一种空间可折展末端执行器;该末端执行器采用3个固接Bricard...     

3轨式横向对称分布6-PSS并联机构及性能优化

针对多滑块共轨式6-PSS并联机构存在的姿态工作空间小、容易奇异等问题,课题组提出一种3轨式分布的6-PSS并联机构(P为移动副,S为球副)。该并联机构杆件长度和轨道间距呈不均匀布置,以提升姿态工作空间;采用闭环矢量法进行位置分析,通过极限边界搜索法求解工作空间;基于运动/力传递指标对机构性能进行评估,并采用性能图谱法基于全域指标GTI进行机构尺寸优化。结果表明优化后机构运动/力传递性能有显著提升,同时姿态工作空间也得到提升。该机构在工程上有一定的实用性。