新型变形轮腿式移动机器人的运动学分析及设计

移动机器人作为智能勘探与侦察的自动化装备,在航天探测、军事侦察、抢险救灾等领域具有广阔的应用前景.兼具良好的机动性及越障性是移动机器人快速适应非结构化复杂环境的首要性能指标,结合轮式行进机构强机动性与腿式行进机构优越障性的变形轮腿式移动机器人受到普遍青睐.然而,现有变形轮腿式移动机器人在设计与优化方面仍存在变形形式过于复杂、设计方法缺乏理论依据等不足.针对上述问题,提出一种结构紧凑、操作简便的新型轮腿变换结构,借助电磁离合器分离运动的原理,通过改变轮-腿变形动力输入促使轮与腿相对运动,以曲柄滑块机构触发轮-腿结构径向扩展,完成由轮式变形为腿式的过程.定义变形过程中曲柄滑块机构的压力角为机动性指标、变形前后结构的展开比为越障性指标,进而开展变形结构的尺度综合,优化结果表明新型变形轮腿式移动机器人的展开比为1.92,可越过高度为150 mm的障碍物.基于优化后的尺度参数,建立变形轮腿式移动机器人越障过程的动力学模型,确定驱动电机参数,设计并制造物理样机.最终开展软件仿真与实验研究,仿真结果与理论分析结果一致,表明优化设计方法与动力学建模方法的有效性,实验结果证明所设计的变形轮腿式机器人具有...     

一种三自由度冗余驱动并联模块的刚度分析

研究了一种三自由度并联模块的刚度建模方法.该模块采用冗余驱动技术,可满足搅拌摩擦焊作业高刚度、大工作空间/机座体积比要求.分析了该模块的结构组成与工作原理,并应用螺旋理论建立其刚度解析模型,所获广义雅可比矩阵与驱动/约束刚度矩阵物理含义清晰.借助有限元分析验证刚度解析模型的有效性,进而实现全域刚度性能预估,为该模块的刚度优化设计及物理样机开发提供了理论依据.     

外固定支架模型重建软件开发与安装参数识别研究

针对精准外固定支架的设计与开发,提出了交互式外固定支架三维模型的软件系统及外固定支架安装参数的识别算法,解决了传统方法中采用二维影像划线测量获取三维安装参数误差较大的问题.考虑远程化诊疗的潜在需求,软件系统采用浏览器/服务器架构构建基于WebGL三维模型渲染技术的三维交互场景.识别算法分为标记物位置拾取与外固定支架位姿识别两部分,通过区域生长算法分割模型文件,采用最小二乘法识别标记物位置,进而借助标记物与外固定支架的几何关系求解位姿参数.以外固定支架参考环与移动环中心距离为例,开展标记物识别方法与X光影像划线测量方法的实验对比研究.借助高精度测量仪器获取两环中心距离作为标准对照组,将上述两种方法的结果分别与标准对照组进行比较.基于标记物识别方法得到的两环中心距离与标准对照组的结果误差为0.043 mm,X光影像划线测量方法的误差为4.903 mm.实验结果表明,基于重建软件和标记物识别法获取外固定支架安装参数较传统X光影像划线测量方法精度高,并有效地将精度提升两个数量级,该方法可为开发精准高效可靠外固定支架系统提供技术支持.     

面向骨折手术的三支链六自由度并联机构设计

随着微创技术和生物学固定技术的发展,创伤骨折手术中愈加需要术中精准定位,以确保内固定物能够精确和微创地固定骨折断端.其中,利用六自由度并联机构进行骨折断端的复位和固定是实现微创精准骨折手术的重要手段,也是未来骨折手术的发展趋势.现有的由6条支链构成的六自由度并联机构存在质量大、医学影像设备扫描后伪影严重等系列问题,提出和设计少支链六自由度并联机构成为研究热点.本文借助有限旋量理论构型综合出一类三支链六自由度并联机构,并进行了其拓扑结构和运动学性能设计.首先,利用有限旋量描述六自由度并联机构及其支链末端的运动,通过有限旋量理论的结合定律和交换定律获得可行支链的标准型和衍生型,通过定义支链装配条件和配置驱动关节,综合出一类三支链六自由度并联机构;然后,定义了优选准则,借助瞬时旋量理论对优选出的5种三支链六自由度并联机构进行了位置逆解、工作空间和速度分析;最后,以运动/力传递率在给定工作空间内的均值与方差为目标函数,考虑并联机构的拓扑结构对运动学性能的影响因素,开展了三支链六自由度并联机构的拓扑结构与运动学性能的一体化设计.上述工作为后续三支链六自由度并联机构的物理样机建造与实验研究提供了理...     

一种并联骨折手术机器人的安全运动控制方法

骨折手术机器人是实现精准微创骨折复位的优势方案．现有骨折复位手术器械存在效率低、精度差、缺乏复位安全策略等问题，难以保证安全高效的治疗．为解决上述问题，本文提出一种并联骨折手术机器人及基于全关节逆解算法的安全运动控制方法．首先，针对该并联机构开展全关节逆解分析．由骨折复位轨迹的离散轨迹点获取机器人末端的位姿，建立机器人机构的闭环矢量方程，以关节转角为未知量整理多元一次方程组，考虑关节间的运动约束通过两条运动链解析求解所有关节转角．其次，设计安全运动控制系统．上位机设置正常、预警及超限3种状态．在机器人运行过程中，由上位机读取复位轨迹离散点的位姿信息，通过全关节逆解模型计算出下一轨迹离散点对应的关节转角并判断运行状态，若超限则发送指令使机器人停止运动，并显示发生危险的关节位置．最后，开展安全运动仿真与实验研究．仿真表明全关节逆解模型可快速计算出全部关节的运动状态并准确进行安全判断．实验结果表明，骨折手术机器人运行过程中，控制系统可及时发现机器人临近危险状态并使机器人停止运动．本文提出的安全运动控制方法无需增设安全检测或保护装置，既保证了骨折手术机器人的轻质便携需求，又保证了安全高效精准的...     

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%.