基于四元数表示法的并联机构姿态奇异研究

基于单位四元数表示并联机构动平台的姿态,推导出当6/6-SPS 型Stewart并联机构动平台处于固定位置时机构姿态奇异轨迹的解析表达式,并通过计算机仿真给出姿态奇异轨迹的三维可视化描述.还探讨了机构动平台的几何外形、动平台和定平台的外接圆半径比、动平台的位置对机构姿态能力的影响.对机构姿态能力的研究为Stewart并联机构的优化设计提供了理论依据.     

Stewart并联机构姿态奇异与无奇异姿态运动规划

以单位四元数为姿态参数,研究Stewart并联机构位于给定位置的姿态奇异并进一步探讨机构的无奇异姿态运动规划方法。基于机构的雅可比矩阵,构建机构给定位置的以单位四元数表征的姿态奇异轨迹的一般符号解析表达式。利用四元代数理论构建刚体姿态运动学方程和时间最优姿态轨迹方程;通过分析机构姿态奇异轨迹分布并利用刚体运动的时间最优姿态轨迹方程,研究机构无奇异时间最优的姿态运动的规划方法。研究成果进一步丰富了Stewart并联机构的奇异规避理论。     

6/6-SPS型Stewart机构奇异轨迹性质识别的Z截面法

对6／6-SPS型Stewart并联机构的奇异轨迹的性质进行识别。基于Stewart并联机构奇异轨迹的解析表达式,推导出了该并联机构在相互平行的Z截面上的奇异轨迹。结果表明：6／6-SPS型Stewart并联机构在相互平行的Z截面上的奇异轨迹总是一个二次多项式其包括四对相交直线、一条抛物线及双曲线束。但是,当机构的上、下平台不平行时,机构在空间中的奇异轨迹又是一个不可分解的三次多项式。     

6自由度船舶摇摆平台无奇异工作空间的分析

6自由度船舶摇摆平台的并联机构,在运动学、动力学分析中,奇异现象不可避免,机构处于奇异状态,会改变原来设计的运动轨迹,极大影响机构控制性能.采用了RPY方法描述旋转矩阵,研究该摇摆平台的运动学正解奇异性问题,得到一种雅可比矩阵.对其求解行列式得到奇异性直接关于6个位姿变量的解析表达式.应用Mathematica软件分别对摇摆平台位置奇异和姿态奇异进行了计算仿真,并绘制了奇异位置和奇异姿态的轨迹图,有效避免在控制轨迹设计时出现的奇异现象.最后在求解机构工作空间中,首次引入奇异值约束条件,利用Matlab软件,编写搜索算法,得到机构在固定姿态下的无奇异位置工作空间,为一般并联机构的控制提供理论基础.     

关于6-SPS并联机器人机构工作空间的研究

提出用数值分析与优化相结合的方法对6-SPS并联机器人机构的工作空间进行研究.根据该机构的特点和应用需要,把上平台中心可达范围分别定义为定姿态可达空间和工作空间两类.对于给定结构参数的6-SPS机构,在确定工作空间的最高点和最低点后,即可快速计算出其工作空间的边界.考察了结构参数对工作空间的影响,得出一些规律性变化关系.这些结果可以用来确定6-SPS并联机器人机构的实际结构参数。     

6/6-SPS型Stewart并联机构运动学正解的研究

对具有半对称结构的6/6-SPS型Stewart并联机构的运动学正解进行了研究。建立了一类具有半对称结构的6/6-SPS型Stewart并联机构运动学正解的数学模型,构造了一个关于该并联机构动平台位置参数及姿态参数的多元多项式方程组。基于该方程组并采用Mathematica符号计算软件编制了基于Mathematica语言的6/6-SPS型Stewart并联机构运动学正解的求解程序,计算结果表明,对于任意给定的该并联机构的结构参数以及六个驱动杆杆长,该类6/6-SPS型Stewart并联机构的运动学正解在复数域内最多有28组解析解。     

一种空间3自由度并联机器人的工作空间和转动能力分析

研究一种空间3自由度并联机器人(HANA)的工作空间和转动能力.该机器人由定平台、动平台和三个连接支链组成,其动平台相对于定平台具有2个移动和1个转动自由度.该机器人具有以下特性:工作空间内无奇异;单自由度铰链结构和高转动能力.其具有显式封闭解的运动学反解有利于用几何方法表达其工作空间.文中首先分析其定姿态和可达工作空间;然后定义了一种评价转动能力的性能指标,并用该指标详细考查了该并联机器人的转动能力特性;最后得出了转动能力性能指标在其工作空间内的分别,这有助于进一步了解该机器人在工作空间内每一点的转动能力.该并联机器人可以广泛地应用在工业机器人、飞行模拟器、微型机器人和并联机床等行业.     

一类6-SPS并联机构正运动学符号解分析

并联机构正运动学是一个位置和姿态耦合的复杂非线性问题,一般难以求得符号解.对于一类6-SPS并联机构,通过引入四元素来描述动平台的转动,不仅能够避免产生公式奇异性,而且将高阶的正运动学方程降阶为一组二阶方程.在这组方程中,动平台的位置和姿态是解耦的,可以通过求根公式符号地解析出机构的8种装配模式,其结果揭示了这类并联机构正解之间内在的对称关系.     

风洞四自由度并机器人奇异路径优化分析

奇异位形是机器人机构的一个十分重要的运动学特性,机器人的运动、受力、控制精度等方面的性能都与机构的奇异位形密切相关。该文对风洞四自由度并联机器人奇异位形进行了研究,使得机器人动平台能够平滑地绕开奇异点且能够获得最短路径,并建立了奇异位形优化方程。最后通过MATLAB仿真得出优化后的轨迹。     

3/6-SPS并联机构的奇异位形及瞬时运动分析

应用螺旋理论研究了3/6-SPS型并联机器人的奇异位形,建立了静力学平衡方程并求出该并联机构的雅可比矩阵J,结合位形参数和雅可比矩阵推导出了并联机构奇异位形的判别矩阵D,并通过判别矩阵D找到并联机构的一个奇异位形.然后讨论了并联机构在奇异位形的瞬时运动,根据螺旋理论得出该运动是个并联机构6个杆件约束力的反螺旋,是一个瞬时的螺旋运动,最后给出了瞬时螺旋运动的形成条件和数学证明.     

机器人操作臂逆运动学分析

在很多机器人应用问题中,人们感兴趣的是操作臂末端执行器相对于基础坐标系的空间描述。文章结合实验平台——5DOF操作型机器人,主要用D-H表示法研究了关节变量空间和末端执行器位置和姿态之间的关系,即运动学逆问题。     

漂浮基空间机械臂姿态与末端爪手协调运动的模糊变结构滑模控制

讨论了载体姿态受控、位置不受控制情况下,漂浮基空间机械臂载体姿态与末端爪手协调运动的控制问题.结合系统动量守恒关系,分析、建立了空间机械臂系统运动的Jacob i关系及完全能控形式的系统动力学方程.在此基础上,应用变结构滑模控制理论设计了空间机械臂载体姿态与末端爪手惯性空间轨迹协调运动的变结构滑模控制方案;为了克服上述变结构滑模控制器抖振的缺点,附加设计了一个模糊控制器,以根据系统的控制输出来动态调节变结构滑模控制器等速趋近率的系数,从而达到既保证系统具有快速响应又能消除原有控制器具有抖振缺点的目的.系统数值仿真运算,证明了上述控制方案的有效性.     

一种3-PRS并联机器人的姿态空间分析

介绍一种3-PRS并联机器人的结构布局特点,基于其位置反解及结构约束条件,绘制其姿态空间的三维视图,并定量分析该并联机器人的机构尺寸参数对姿态空间范围的影响,为该并联机器人的设计与实用化提供理论依据.     

一种7-DOF机械臂的结构设计及其几何位置误差分析

基于双电机伺服驱动的关节设计制造了一种7-DOF协作机械臂,建立了该型机械臂末端执行器的几何误差模型,并且基于原始参数误差独立作用原理对参数误差进行分析与合成.基于数理统计大数定律,利用蒙特卡洛的方法对几何位置误差影响因素的灵敏度进行了数值仿真计算分析,找出对机械臂几何位置误差影响程度相对较大的参数误差.通过对机械臂末端执行器的几何位置误差计算分析,可知误差在工作空间内服从瑞利分布.经过实验测量,机械臂的重复定位误差不超过0.0591mm,并且绝对定位误差服从瑞利分布是显著性的,证明了双电机伺服驱动关节具有回差小、传动精度高的特点和误差分析的正确性,为机械臂的精度设计与应用提供理论依据.     

基于绳驱动的多段柔性连续体机械臂的运动学与实验研究

经自然腔道手术机器人要求具有良好的灵巧性,但灵巧性的提高会产生运动学模型复杂且难以建模的问题。针对绳驱动的多段柔性连续体机械臂进行了运动学分析和实验研究。首先,以双段柔性连续体机械臂为原型,基于分段常曲率和神经网络的方法,建立了任务空间和驱动空间的正逆运动学映射模型。以任务空间变量连续体机械臂末端位置为神经网络的输入量,驱动空间变量驱动绳的拉伸量为神经网络的输出量,拟合出了连续体机械臂末端位置和驱动绳拉伸量的映射关系。最后,进行了连续体机械臂的弯曲运动和轨迹跟踪实验。实验结果表明：双段连续体机械臂弯曲角度可达180°,验证了连续体机械臂具有大角度弯曲能力;在连续体机械臂末端的圆轨迹跟踪实验中,连续体机械臂的末端在x轴、y轴、z轴方向的平均绝对位置误差为1.743、1.334和1.172 mm,验证了连续体机械臂的运动学模型的有效性。     

空间机器人系统的简化动力学模型与应用研究

建立了空间机器人系统的简化动力学模型,论述了可以通过控制关节变量的办法来改变载体姿态和抓手路径,从而在实践中可用于研究卫星姿态调整、空间机器人着地姿态控制和太空机械臂的路径规划等,算例验证了这种简化模型的有效性。     

带滑移铰空间机械臂协调运动的自适应分解运动控制

讨论了载体位置不受控制的漂浮基带滑移铰空间机械臂本体姿态与末端抓手惯性空间轨迹协调运动的逆运动学问题.结合系统动量守恒关系进行的系统运动学分析表明,可以将空间机械臂本体姿态与末端抓手惯性空间轨迹协调运动的增广广义Jacob i矩阵表示为一组适当选择的组合惯性参数的线性函数.以此为基础,设计了系统部分参数未知情况下,由本体姿态期望运动及机械臂末端抓手惯性空间期望运动轨迹产生机械臂关节铰期望角速度、角加速度的自适应控制算法.由于充分利用了空间机械臂系统动量守恒的动力学特性,本文提出的方法具有不需要测量、反馈载体基的位置、移动速度及移动加速度的显著优点.系统数值仿真证实了该方法的有效性.     

一种仿生机械臂空间位置反馈方法的研究

为了解决仿生机械臂空间位置反馈的问题,将眼电图作为神经反馈,应用于仿生机械臂空间位置反馈系统,通过多角度目标点重复扫视实验,分析眼球转动角度与对应眼电信号特征之间的映射规律,建立了人眼双目视觉定位模型.采用四元数法构建人眼、仿生机械臂坐标转换模型,并通过自行设计的物理实验平台进行坐标转换参数标定、计算旋转矩阵和平移向量,根据参数化定位模型将提取到的目标点转换为机械臂坐标系位置信息,从而实现了空间定位.研究结果表明,人眼双目视觉的定位模型可以有效地提取目标点坐标,为仿生机械臂提供空间位置反馈,同时也为仿生机械臂空间位置反馈提供了新思路.