集成2R1T并联机构的艾灸辅疗机器人概念设计与运动学分析

设计一种用于艾灸辅疗的新型五自由度混联机器人机构，该机构由2UPS&1UPR&1UP并联模块和2R串联模块组成.首先，给出该混联机器人的概念设计方案，并运用螺旋理论分析2UPS&1UPR&1UP并联模块的自由度，建立该混联机构的运动学模型并推导其位置逆解的解析解，进而求得全局雅克比矩阵和奇异位型.在此基础上，采用“分层切片”的搜索方法得到该艾灸机器人的可达工作空间.最后，制作概念样机，并通过运动位姿实验验证运动学逆解与工作空间分析的正确性.研究表明，所提混联机器人机构具有大转角和大工作空间的性能优势，可以满足艾灸辅疗流程对器械运动形式与工作空间的需求.     

3T2R混联机构运动学性能分析

5自由度混联机构由完全各向同性的三维移动并联机构和2自由度转动的串联机构组成.此混联机构末端位置由两部分共同决定,姿态完全由串联部分决定.首先,求解了机构的自由度数目,并运用螺旋理论分析了自由度性质.然后,选取机构的驱动副,判断并联模块支链第5个转动副为消极副,从而简化了并联模块,方便了后续的分析.最后,分析了混联机构的运动学特征,利用运动影响系数求得其速度雅可比矩阵,并分析了机构的工作空间和奇异位形.该机构运动学解耦,计算方便,便于实时运动控制,同时机构工作空间大,无奇异位形,有很好的应用前景.     

风洞模型并联机构工作空间分析与仿真

以风洞模型并联机构为研究对象,在给定的姿态下,提出基于风洞模型并联机构输出端工作空间的计算仿真方法,即基于风洞模型并联机构位置反解,结合风洞模型并联机构输入端滑块的运动范围约束和球铰半锥角的最大值的约束,采用边界搜索法确定该机构的工作空间边界。并且分析了该机构在某给定姿态下,输出端的平动工作空间、转动工作空间以及与机构末端相连接的物体分别做俯仰运动、偏航运动、滚转运动时的工作空间,为并联机构的结构设计和研究提供了有力支持。     

新型五自由度混联机器人及其动力学分析

设计了一种新型五自由度混联机器人结构,对其构型进行了介绍和分析.应用D-H方法建立了该五自由度混联机器人的运动学模型.在此基础上,基于递归牛顿-欧拉算法对该混联机器人进行了动力学分析,推导了机器人各连杆的速度、加速度、惯性力和力矩,同时,推导了各连杆相互作用的力、力矩及关节驱动力或力矩,研究了各连杆的运动速度、加速度及受力情况.通过Matlab数值仿真和ADAMS虚拟样机验证了动力学分析求解的正确性,为后续结构优化和运动控制提供了依据.     

六自由度混联机构运动学分析

混联机构结合了并联机构和串联机构两者的优点,有效地扩大了机器人的应用范围.提出了一种由两个不同的三自由度并联机构串接而成的混联机构,对其进行运动学分析,分别求取上下两个并联模块的运动学正解方程,从而得到整个混联机构的运动学正解.通过给定机构结构参数和驱动输入参数,用一组算例求得运动学动平台位姿,并画出三维机构位姿状态图模型,更加直观地了解机构的位姿状态.然后求解其运动学逆解,按照运动学正解结果,给定机构的两组位姿,求得此时机构的驱动输入参数及各转动副的状态,对比正反解的结果,进而验证了双并联型混联机构运动学正反解模型的正确性.最后,在运动学分析的基础上,利用极限坐标搜索法,结合混联机构的运动学反解,给出机构工作空间求解的算法.给定机构的结构参数,考虑杆长约束、关节转动副约束及杆件干涉等影响条件下,利用数值搜索法在圆柱坐标系中搜索工作空间的边界.在Matlab软件中仿真得到混联机构在给定不同姿态下的位置工作空间和给定位置下的姿态工作空间.     

一类轴孔装配混联柔性机构构型综合

被动装配是实现轴孔高精度配合的重要方法之一,其基本原理为柔性装配机构针对外界装配力与装配反力做出自适应柔顺变形,补偿由于工业机器人定位误差导致的轴孔中心线位移偏差及倾角偏差.作为被动装配方法的核心使能部件,柔性装配机构的性能直接决定装配成功与否,为此,开展了一类基于五自由度混联柔性机构轴孔装配的方案设计和柔性机构构型综合研究.该机构由分别具有2T1R(T表述移动运动,R为转动运动)和3R自由度运动的柔性并联模块串联组成,并采用片弹簧作为实现柔顺变形的基本柔性单元.在整体方案设计的基础上,以旋量作为数学工具,提出一种并联柔性机构构型综合的一般流程,讨论在片弹簧不同变形情况下的支链组成形式,拟定支链装配条件.结合实际工况,本文优选出3-RFS-3-RFS作为轴孔装配的柔性机构,利用有限元软件对得到的机构进行仿真以验证机构自由度及各向柔度,仿真结果表明该机构具备五自由度且各向柔性差异小于0.05%.搭建了轴孔装配实验台,装配实验结果表明对于直径为20 mm与10 mm的轴孔对,装配成功率分别可达90%与70%.     

关节角参数化结合接近矢量可行方向的五自由度机械臂逆运动学求解

五自由度的机械臂无法达到任意位姿，采用传统的位姿描述方式进行逆运动学求解时，极易产生无解的情况。文中以一种适用于清洁、喷涂、焊接等作业的、由4个旋转关节和1个移动关节构成的五自由度机械臂为例，建立运动学模型并进行逆运动学分析，在此基础上，提出一种关节角参数化结合接近矢量可行方向的逆运动学求解方法。该方法基于自由度约束的末端位姿描述，先通过关节角参数化将末端执行器的运动空间由三维降为二维，再采用几何法分析末端执行器在不同目标位置（远端、中间端、近端）时的接近矢量的可行方向，从而避免参数盲目取值，确保运动学逆解的存在，然后根据运动连续性和各关节的运动范围从中筛选出最优解。路径规划仿真结果表明，实际路径与规划路径非常吻合，关节运动平稳，证明了所提方法的可行性和准确性。文中研究的五自由度机械臂具有一定的代表性，逆运动学求解方法计算复杂度低，求解过程较为简便，求解思路可为欠自由度机械臂的逆运动学求解提供借鉴。     

五自由度作业要求下 Stewart 平台的运动特性

根据Ｓｔｅｗａｒｔ平台在制造业的应用特点，分析了五自由度（或者低于五自由度）作业运动要求的应用情况，提出了多余自由度的概念。针对运动平台作为旋转运动刀具载体的情况，提出了多余自由度的允许运动范围的计算方法以及利用多余自由度改进机构运动特性的方法。以一种典型的平台模型为例进行计算，就作业空间和可操作性等问题验证了所提出方法的有效性。从算例可以看出，多余自由度在Ｓｔｅｗａｒｔ平台的实时控制中可以得到较好的应用。     

基于Simulink的振动压路机七自由度模型的动力学分析

通过牛顿运动定律对振动压路机建立了七自由度的力学模型和运动微分方程,阐述了运用状态空间法把压路机的微分方程转化为能方便用Matlab/Simulink仿真的模型,运用状态空间法建模简化了编程过程,提高了编程的质量和可靠性.介绍了Matlab/Simulink对压路机进行运动仿真的分析方法.通过仿真分析可得:与五自由度的压路机模型相比,七自由度的力学模型同样简单可行,而且还能对驾驶室和驾驶座进行动力学分析,分析的问题更加全面,为振动压路机设计和减振性能的研究提供理论指导.     

融合远心运动机构与串联机械臂的穿刺手术机器人系统研究

针对现有穿刺手术机器人远程中心运动(RCM)无法兼顾安全性、精准性及空间有效性的问题,提出结合RCM机构和多自由度串联机械臂,研制一款混联式穿刺手术机器人系统。首先,基于双平行四边形机构设计机器人末端RCM执行机构,用于保证穿刺手术过程中远程中心运动的精度与安全性;然后,结合串联机械臂搭建穿刺手术机器人系统以保证较大的工作空间;最后,设计混联式机器人与现有基于主动式RCM约束(ARCMC)的通用串联穿刺手术机器人系统RCM的定位精度对比实验。结果表明,与基于ARCMC的机型相比,所设计穿刺辅助机器人系统的远端中心俯仰运动和翻滚运动位置误差分别降低了52.6%和59.7%,且其工作空间也远高于基于被动式RCM约束(PRCMC)设计的穿刺手术机。由此可以证明所设计的混联式穿刺手术机器人系统在穿刺手术辅助方面的性能更好。     

基于分形理论的混联机器人构型设计方法

为综合得到混联机器人构型,基于分形理论提出了一种新的混联机器人机构构型设计方法,其能够有效地解决多路径横向非典型混联机构构型的设计问题.首先,阐述了机构拓扑图和分形理论的概念;其次,建立了运动副及其空间方位关系的二进制码,规定了为求解机构拓扑图的路径法则和用以推导运动副的输出位移子集的串并联计算法则;然后,根据分形理论推导出分形后的机构拓扑图,并适配运动副从而获得混联机器人机构的整体构型;最后,根据该构型设计方法,实现了2T1R三自由度混联机构的构型设计,并对综合后的混联机器人机构进行分析,验证了该构型设计方法的可行性.     

新型五自由度并联机构及其运动分析

提出了一种新型五自由度并联机构及其应用前景，该机构由一个RRTR分支和4个SPS分支组成，可实现空间的三维移动以及两个独立方向的转动，可用于部件装配、推拿机器人、空间机构的运动平台等应用场合。采用螺旋理论分析了能实现预定运动输出的机构学原理，计算了机构的自由度，采用直观的零位形两步法建立运动变换矩阵，求出用于实时位置控制的反解，并给出数值算例，分析了该机构在推拿机器人设计上的应用前景。     

新型高速重载堆垛机器人运动系统设计

针对高产量铝锭堆垛生产线上高速重载堆垛工况,研究设计一种新型5自由度串并混联机构的堆垛机器人.该机器人本体结构模块采用由并联机构和串联机构闭环运动链组成的运动系统方案.通过对系统有关结构参数化建模、运动学特性的理论分析、运动仿真的虚拟实验及有限元分析,机器人运动系统能够很好的满足堆垛机对自由度、工作空间以及复杂堆垛轨迹的要求,承载力得到大幅度提升,可满足铝锭堆垛高速重载的堆垛要求.     

棉花异性纤维分拣机器人总体结构的优化设计

针对棉花分拣的具体情况,依据机器人的机构选型原则,对棉花分拣机器人进行了机构选型设计,提出了一种具有整体升降和小臂伸缩功能的五自由度串联关节型棉花分拣机械手.基于棉花的分布空间,利用几何法对机械手末端轨迹进行模拟,得出机械手工作空间主剖面的面积组成,由此确定了机器人机构参数的取值范围,并建立优化模型,得到了机器人机构参数的优化解.     

新型混联骨盆支撑机构的设计及力场分析

为帮助患者恢复运动能力,提出一种用于平衡训练的新型混联六自由度骨盆支撑机构.首先介绍了混联六自由度骨盆支撑机构的结构;其次提出一种简化混联机构的等效方法计算位姿正反解,建立了速度雅可比矩阵;最后基于雅可比矩阵进行机构的力场分析.结果表明:该机构在规定的工作空间内能提供合适的反馈力场,解决了机器人机械结构与人体生理结构差距较大造成运动轨迹不自然的问题.对照试验结果表明:相比于传统康复手段,该机构能显著提高患者的平衡能力.     

悬臂式3D打印机三移两转混联解耦机构设计研究

针对当前3D打印装备存在工作空间大、运动/力传递性能差的问题,设计了一种悬臂式3D打印机三移两转混联解耦机构。依据解耦原则,建立串联单元解耦支链;并利用串联支链构型构成解耦并联单元。依据机器人末端一般运动特征集设计三移两转混联解耦机构,确定第一类混联机构的组合方式;最终基于雅克比矩阵秩设计出悬臂式3D打印机三移两转混联解耦机构。实验结果表明,相对于传统的混联机构,设计的混联机构优质工作空间大、运动/力传递性能高、实用性较强。     

悬臂式3D打印机三移两转混联解耦机构设计

针对当前3D打印装备存在工作空间大、运动/力传递性能差的问题,设计了一种悬臂式3D打印机三移两转混联解耦机构。依据解耦原则,建立串联单元解耦支链;并利用串联支链构型构成解耦并联单元。依据机器人末端一般运动特征集设计三移两转混联解耦机构,确定第一类混联机构的组合方式;最终基于雅克比矩阵秩设计出悬臂式3D打印机三移两转混联解耦机构。实验结果表明,相对于传统的混联机构,设计的混联机构优质工作空间大、运动/力传递性能高、实用性较强。     

3-SPS/PPS并联机构运动学分析

为了实现一种空间上三维转动和两维平移的运动形式,提出了一种3-SPS/PPS为构型的五自由度并联机构,该机构的驱动支链为SPS支链,约束支链为PPS支链.应用螺旋理论对3-SPS/PPS并联机构的支链进行了理论分析,对并联机构的自由度进行计算,求出了并联机构位置方程的表达式.通过三维建模软件建立了3-SPS/PPS并联机构的模型,利用ADAMS软件进行运动仿真分析,从而得到了3-SPS/PPS并联机构在逆解下的位移曲线变化图,同时得到了在正解下的位移、速度和加速度运动曲线图,验证了3-SPS/PPS并联机构的自由度,为并联机构的应用提供了理论参考.     

多自由度机械振动系统的可视化仿真

本文利用状态空间方程描述多自由度机械振动。以一个五自由度机械振动系统为例,通过Matlab/Simulink来进行仿真分析,介绍了振动微分方程和状态空间模型的建立方法及应用,为处理类似的多自由度系统仿真提供有效的参考。     

一种新型电力光缆剪枝机器人的运动学联合仿真研究

针对架空电力光缆线路巡检维护中的树枝修剪问题,设计了一种新型五自由度串联剪枝机器人。首先,通过D-H(denavit-hartenbreg)参数法,建立了该剪枝机器人机械臂的运动学模型,得到运动学正逆解;然后在V-REP和MATLAB中进行联合运动仿真,并利用蒙特卡洛法分析剪枝机器人工作空间,得到机械臂工作空间的云图;为保证剪枝过程的运行平稳,在工作空间内进行轨迹规划并仿真;最后,联合仿真结果表明该剪枝机器人运动学模型有效,各关节及末端轨迹规划控制效果良好,可以实现1~1.5 m范围内灵活修剪树枝等障碍物的要求,为剪枝机器人后续控制问题研究提供了理论依据和实验基础。