气动人工肌肉驱动仿人肩关节机器人的设计及力学性能分析

柔索驱动球关节机器人采用柔索替代连杆作为机器人的传动元件,结合了并联机构和柔索传动的优点. 文中提出了一种新型带有万向球轴承的仿人肩关节并联机器人,它由多支气动人工肌肉驱动,由于万向球驱动机构的引入,机器人可实现空间的三维转动. 介绍了该机器人的机构构型,并对其进行了力学性能分析. 该机器人的运动范围及负重能力达到并超过了人体肩关节性能指标的1/2. 相比其他并联机器人,该设计具有结构简单、旋转范围大、输出力矩大等特点.      

新型四自由度并联机构运动学分析及其优化设计

提出一种能够实现两维移动和两维转动的四自由度并联机构,该机构包含3条UPS型驱动分支和1条UPR型驱动分支.建立了该并联机构的三维模型及位置反解方程,利用虚设机构法求出机构一阶和二阶影响系数矩阵,并推导了速度和加速度表达式.利用Jacobian 矩阵条件数对机构进行全域性能指标分析,得到机构尺寸变化对性能的影响趋势,以及所给尺寸范围内速度、加速度性能较好的尺寸.数值算例验证了性能指标分析的正确性,为机构优化设计提供了理论依据.     

含间隙3-CPaR&R1R2混联机构动力学分析

为研究关节间隙对混联机构动态特性及混沌现象的影响,以3-CPaR&R_1R_2混联机构为研究对象,考虑转动副关节间隙并基于弗洛雷斯(Flores)接触力模型和修正的库伦(Coulomb)摩擦模型,分别建立了含间隙关节元素间的法向接触力和切向接触力模型,进而基于拉格朗日方程建立了含关节间隙混联机构动力学方程.通过数值仿真分析了不同驱动速度和间隙尺寸对机构动力学特性及混沌现象的影响,同时探讨了机构稳定性与关节元素碰撞的关系.研究结果表明:增加驱动速度与减小间隙尺寸可使机构混沌现象减弱,改善机构动态特性;机构稳定性与碰撞过程中关节元素间的冲击现象相关,且随着冲击现象的加剧机构稳定性降低.     

柔性充气操控臂转动行为数值模拟与试验

为减小充气臂转动驱动力矩,设计了类似宇航服关节的带有褶皱构造的充气膜关节及绳驱动转动装置.进行了充气臂柔性PVC织物膜材的双轴拉伸和剪切试验,基于正交异性假设计算得到了适宜充气臂双向张力和褶皱状态下膜材的弹性常数.建立了充气臂结构的有限元模型并进行了转动数值模拟和参数分析,将模拟结果与无褶皱构造的圆柱形关节理论分析结果进行了对比,表明褶皱构造关节的弯曲驱动力矩降低很多,实现了低驱动力矩的设计目标.设计和制作了充气臂样机并开展了试验研究,验证了充气臂转动数值模拟的准确性.     

形状记忆合金丝驱动的仿生转动关节臂

提出了动物关节臂的力学模型,讨论了形状记忆合金（ＳＭＡ）和动物骨骼肌生物力学行为的相似性和力学性能的差异．基于仿生学的原理,研究了用ＳＭＡ丝驱动仿生转动关节的技术．研制了能实现ＳＭＡ感知功能的控制电路和ＳＭＡ丝驱动的仿生转动关节驱动器,并用该关节驱动器开发了一个两自由度的微型关节臂,该微型关节臂可用于微型步行机器人和人工假肢．     

多自由度超声波电机及其转子支持机构研究

应用有限元方法,设计和制作了一种能实现机器关节的多自由度超声电机.给出了一种正交轴承法转子支持机构,用于实现转子在机器手指关节中的应用.该电机定子由一个压电多层纵振子和一个夹心式弯曲振动换能器组成.多层振子较低电压下可在竖直方向产生较大振动位移.夹心式弯曲振子由两个纵向振动压电片和四个铜电极组成.在夹心振子上施加具有一定相位差的电压信号,会产生两个相互正交的弯曲振动.通过激励定子3种不同振动模式,可驱动位于定子表面的转子产生多自由度转动.测试结果表明:以多自由度超声电机作为驱动源,采用正交轴承法转子支持机构,可以有效增加机器手指关节的运动自由度.     

新型四自由度并联机构结构及运动分析

提出了一种能实现空间三维平动和绕Z轴转动的4-PTT并联机构;应用螺旋理论对该机构的结构及约束特征进行了分析,并计算了机构的自由度;运用解析几何中的坐标变换和投影理论,求得了该机构位置反解的显式表达式;利用MATLAB以及ADAMS软件中的点驱动技术对该机构的运动输出和位置反解进行了仿真验证.该机构为一过约束机构,具有各分支完全相同、结构对称、刚度大等优点,可应用于工业装配机器人、微动机器人、多维减振平台、康复机器人等领域.     

微创手术机器人被动式关节设计和优化

设计一种用于微创手术机器人的被动式关节,实现了机械结构和控制驱动的一体化设计;关节可以实现回转运动并实现手术中关节在任意位置的可靠锁紧;锁紧机构采用步进电机驱动,通过压力传感器检测锁紧力矩大小,力矩可调.     

6-RRS冗余驱动飞行模拟器运动学与工作空间分析

提出一种以6-RRS球面并联机构作为运动机构的冗余驱动飞行模拟器.该机构具有3个转动自由度、6个驱动、3个冗余驱动,由2个完全相同的3-RRS球面并联机构构成6-RRS球面并联机构.该机构广义上具有一个定平台和一个动平台,整个动平台即为飞行模式器座舱.在3-RRS球面并联机构运动学分析的基础上,给出了6-RRS球面冗余驱动并联机构的运动学分析,包括机构的方向余弦的建立、反解和正解及该机构的工作空间分析.     

细菌运动及趋化信号转导网络的研究

细菌运动是其生存及致病的关键条件,其动力来源于运动马达,并受各种信号转导系统的控制.大肠杆菌(E.coli)及相关的沙门氏菌(Salmonella enterica)被普遍用来研究细菌运动.它们游动的动力来源于鞭毛马达驱动鞭毛的转动,并受趋化信号转导系统调控.本文综述了关于细菌鞭毛马达及趋化信号转导系统近年来的研究进展,并展望未来需发展或深入探索的重点和方向.     

四足机器人电驱关节用轴向磁通永磁电机设计

针对现有四足机器人电驱关节用径向磁通永磁电机存在轴向尺寸长、转矩密度低的缺陷,基于电驱关节对电机的性能指标要求,提出了一种采用双定子单转子结构的轴向磁通永磁同步电机电磁设计方案。采用Maxwell软件建立了电机的三维有限元模型,进行了电磁仿真分析。仿真结果表明：轴向磁通永磁电机额定功率为260 W,额定输出转矩为2.53 N·m,电机效率为85.36%;峰值功率为630 W,峰值转矩为7.52 N·m,仿真结果满足电机性能指标要求。对轴向磁通永磁电机与径向磁通永磁电机在相同工况下的转矩进行分析,轴向磁通永磁电机输出转矩高于径向磁通永磁电机。该轴向磁通永磁电机电磁方案为四足机器人电驱关节用电机的高转矩密度、高功率密度设计提供了新的思路。     

永磁球形电动机转矩特性的数值计算与分析

提出了一种新型永磁球形电动机的基本结构与运行机理,建立了其三维有限元分析模型;针对驱动电机自转的转矩进行了数值仿真,得到了永磁球形电动机的电磁转矩特性曲线和磁阻转矩特性曲线．通过比较分析球形电机不同转子极充磁方式、定子线圈铁心磁导率以及定子外壳是否采用铁磁材料时电磁转矩特性的变化,得出了提高球形电机输出转矩的有效途径．系统地分析了球形电机主要参数的变化对电机转矩的影响,得到了永磁球形电动机最大静转矩随定子极高度、定子铁心半径、永磁含量系数、线圈安匝数以及气隙长度等参数的变化规律．分析结果为永磁球形电动机的优化设计提供了依据．     

行波型三自由度超声波球电机的静力学问题

多自由度超声波球电机适用于机器人的肩腕关节驱动.文中分析了三自由度超声波球电机的原理和结构,指出其存在的基本问题;建立了三自由度超声波球电机的坐标变换关系,通过转子受力的力平衡方程,给出转子球心的位移和定转子接触面转子形变量及其力分布的关系式,以此为基础讨论了这种电机的基本关系.     

基于绳牵引并联机构的上肢康复机器人设计

人类的上肢为生活提供了诸多便利,健康的上肢是高质量生活的保证。上肢如果出现运动功能障碍就需要接受康复治疗。为了减轻康复师的工作强度,同时增强治疗效果,需要利用康复机器人代替康复师来进行康复训练。通过分析肘、肩关节的运动特性和规律,基于三自由度的冗余绳牵引并联机构设计了一款面向上肢康复的机器人。该机器人由定位模块和连接模块组成,可对不同尺寸的上肢进行主动和被动康复训练。由于机器人结构简单、易于装配、制造成本低,更容易被用户所接受。在结构设计完成后对该上肢康复机器人进行了运动学建模,同时进行了机器人奇异性的分析,为后续运动控制的研究做准备。最后,考虑到机器人的力传递性能和体积大小,采用多目标优化的方式对机器人进行了优化设计。仿真结果表明,优化设计有效地提升了机器人的相关性能。研究结果可为绳牵引并联机构在上肢康复机器人设计中的应用提供理论参考。     

Halbach阵列永磁球形电动机转矩的三维有限元分析

为分析Halbach阵列永磁球形电动机复杂边界条件对电机性能的影响,采用有限元法对电机转矩特性进行了研究．建立了Halbach阵列永磁球形电动机三维有限元模型,得到了电机转矩的空间分布,并与解析法得到的结果进行了对比分析．在保证Halbach阵列永磁球形电机体积不变的情况下,分析了电机结构参数对电机性能的影响．对不同磁体结构球形电动机产生的自转转矩和倾斜转矩进行了比较．漏磁、磁场谐波及各自由度之间的电磁耦合对转矩特性的影响可以在有限元法中得到体现,使其与解析法得到的结果有所差别．永磁球形电动机采用Halbach阵列磁体结构后,转矩的输出能力得到了提高．在电机结构参数中,转子磁体厚度、定子线圈高度、内径及外径对电机的输出转矩能力具有较大的影响．结果表明在提高电机转矩输出能力上,电机结构参数存在最优值．     

Kinematic Characteristics Analysis of 3-PRS Parallel Manipulator

The 3 - PRS parallel mechanisms, whose kinematic chain is connected by prismatic joint P, revolute joint R and spherical joint S, have two rotational and one translational DOF. But the DOF of 3 - PRS parallel mechanism cannot be explained by the Grubler-Kutzbach method or Herve method. To illuminate the special kinematic characteristics of 3 - PRS parallel mechanism, a novel analytical approach is proposed in this paper. All the feasible instantaneous motions of 3 - PRS mechanism are studied by using this method. The analysis of kinematic characteristics of 3 - PRS mechanism help to understand the mechanism and estimate the motion capacity of mechanism. Finally, it is also helpful to optimize the topology of the mechanism and the trajectory for desired performance.     

一种基于3-RSS/S并联机构的踝关节康复机器人

提出了一种用于踩关节康复的康复训练机器人，该机器人采用3-RSS／S并联机构，具有3个转动自由度，可以帮助患者进行多种复合运动的康复训练；本文对基于3-RSS／S并联机构的踩关节康复机器人的自由度，工作空间和运动进行了分析，并且给出了工作空间范围和运动曲线。     

多关节跳跃机器人的起跳机理与运动规划分析

在给定离地任务要求的情况下,针对多关节冗余自由度跳跃机器人起跳机理及运动规划与优化问题进行了研究.以速度方向可操作度为性能指标,将期望的离地质心速度和加速度映射到关节空间,作为关节空间规划的边界条件.采用Fourier基函数参数化关节空间轨迹,从正运动学方程出发,结合驱动约束条件,利用粒子群优化算法搜索和寻求使能量利用率最大的参数值,实现起跳性能的优化.利用计算机仿真证实了此种方法的可行性.此外还建立了滑模控制器,实现起跳阶段轨迹跟踪控制仿真分析,为具有冗余自由度的多关节跳跃机器人的运动规划提供了一种有效的方法.     

施威德勒网壳结构的动力强度破坏

对40 m跨的施威德勒理想网壳结构和考虑初始缺陷的网壳结构进行了全过程动力时程分析,考察了此类型网壳结构的动力性能和破坏形式.对具有初始缺陷的网壳结构进行了参数影响分析,分别考察了地震作用、杆件截面和屋面荷载三种因素对结构动力性能的影响,研究了在不同条件下施威德勒网壳结构的动力失效机理和破坏模式.将研究结果与其他球面网壳结构进行了比较,验证了已提出的理论框架的合理性和实用性.     

磁悬浮开关磁阻球体电机的数学模型及其仿真

针对双绕组无轴承开关磁阻电机的绕组结构复杂、绝缘程度要求高及加工成本高的缺陷,结合悬浮原理和磁阻最小原理,提出一种磁悬浮开关磁阻球体电机.分析了磁悬浮开关磁阻球体电机的基本组成和运行机理,采用磁路分割法对各部分磁路进行推导与计算,建立了球体电机的数学模型.利用Matalab/simunik软件进行仿真,结果表明电机能够实现动子快速稳定悬浮和旋转,并且具有良好的抗干扰性能.