一种新型可变形轮腿式机器人的设计与分析

提出一种新型可变形轮腿式地面移动机器人,采用相同动力源实现轮式和腿式两种移动模式.将Chebyshev机构与平行四边形机构结合,提出了具有两种单自由度运动形式的单环闭链2RP3R变胞机构,进行了构型设计和运动学分析.将2个单环闭链变胞机构构造成轮腿式移动模块,进而构建一种可变形轮腿式机器人.机器人具有256种运动形式,...     

地面移动Altmann连杆机构

提出Altmann连杆机构的一个新用途,将其用来作为地面移动机构,以翻跟斗步态实现沿直线的行走运动,并通过自身扭动与整体反转的步态实现转向运动。提出地面移动Altmann连杆机构的设计概念和构型方案。分析地面移动Altmann连杆机构的移动原理,包括利用奇异位形来实现机构的转向运动。规划出直行和转向两种移动步态。分析两种步态的移动轨迹,并计算两种移动步态的关键参数。研究结果表明,通过对直行和转向两种步态的切换控制,可以使Altmann地面移动连杆机构以固定的步长,从平面上一个初始点移动到另一个目标点。该地面移动连杆机构基于空间单闭链六杆机构,结构简单,刚度好,同时具有良好的折叠特性,便于存储和运输。     

单闭链全R副多模式全向地面移动机器人

为解决移动机器人运动过程中因翻倒、失稳而失去运动能力的问题,提出一种具有可变形结构的多模式全向地面移动机器人.以单环全R闭链为单元,通过分时控制其转动副可实现三方向几何变形,使两闭链正交形成的4-RRRRRR并联移动机器人具有四种不同滚动模式,且各模式可相互切换,机器人运动过程中一旦翻倒、失稳,可变形为其他模式继续移动.通过对机构进行自由度、步态规划、运动可行性分析及各模式虚拟样机仿真,结果表明,机器人可实现各运动模式且能在各模式间相互切换,并具有良好的越障能力.     

多模式两轮移动机器人的设计与运动分析

提出一种具有可变形车身的多模式两轮移动机器人。以平面6R单环闭链连杆机构为车身,通过控制其变形运动,使机器人具有折展模式和三种移动模式。在折展模式下,折叠状态时用于储运和携带,展开状态时启动工作模式。在两轮移动模式下,车身变形形成车尾支撑实现稳定移动,通过调整轮距和车尾长度以增强其地面适应性。在攀爬越障模式下,通过车身变形至类爪状以增强对障碍物的攀附作用,实现台阶越障。在类履滚动模式下,通过杆件在地面交替铺展支撑以增加与地面接触面,实现在不平整或松软路面上的滚动。对所设计构型进行自由度分析和驱动配置。建立运动学模型,分析机器人运动参数并对其进行步态规划。建立动力学仿真模型,验证预设步态合理性。研制一台样机,对其折展模式和三种移动模式进行可行性验证。     

具有2R1T和3R运动模式的并联机构综合

使用位移流形理论综合了具有2R1T与3R两种运动模式的并联机构。选取了一种具有此类运动模式变换的机构,分析了其自由度变换时的位形特征,使用螺旋理论分析了其在不同运动模式下的自由度特征,分析了支链驱动副选取的可行性。结果表明,这种并联机构具有2R1T与3R两种运动模式。这种机构在两种运动模式的一般位形下,使用2个移动驱动副和1个转动驱动副实现对机构的控制。这种机构在两种运动模式的变换位形下,机构处于奇异位形,机构的自由度增加为4。支链2中配置1个辅助移动驱动副,支链2中的转动驱动副和辅助移动驱动副在机构运动模式变换时工作,实现并联机构在2R1T与3R两种运动模式之间变换。     

一种新型分岔并联机构的多自由度模式分析

提出一种全新的分岔单环闭链构型URRC,这种单环闭链具有两种自由度模式。将串联支链PRRP与分岔单环闭链组合成混联支链,利用3条混联支链连接动平台和定平台,得到了一种分岔并联机构。通过对单环闭链不同模式的组合,得到3T3R、3T、2R1TⅠ、2R1TⅡ、1R2T共5种自由度模式的并联机构,并用螺旋理论分析证明了分岔并联机构具有的5种自由度模式的正确性和驱动选取的合理性。     

混合驱动平面两自由度七杆机构最优运动规划

详细地分析了混合驱动平面两自由度七杆机构输入与输出运动之间的关系，并在此基础之上提出了闭链机构节点空间内运动规划的步骤与方法。基于改进遗传算法，提出了在闭链机构关节空间内处理具有运动学、动力学约束的最优运动规划问题的新策略。给出了算例并进行了仿真研究。     

1R1T远程运动中心机构的型综合

多自由度远程运动中心机构是微创手术机器人的关键部分之一。现有的远程运动中心机构通常采用直线运动单元实现器械沿轴线的移动,这种方式占用末端空间大,容易发生干涉。基于仿图仪机构提出一种末端紧凑型1R1T远程运动中心机构的型综合的新方法,这类1R1T远程运动中心机构可用于构造更高自由度的远程运动中心机构。依据仿图仪机构所属几何变换对其进行分类,并定义仿图仪机构之间的等价关系。通过结合两个相互等价的仿图仪机构,提出刚体运动跟踪机构的概念。在此基础上提出一种1R1T远程运动中心机构的型综合方法:通过刚体运动跟踪机构将1R1T机构中输出连杆的运动模式复制到远端,从而构成1R1T远程运动中心机构。通过该方法得到若干适合微创手术机器人的新构型。     

空间四杆机构步行机设计与仿真

将一种空间闭链RSTR机构应用到步行机设计中,通过对该机构进行运动分析,借助Pro/E仿真,得出步行机的足端运动轨迹曲线,并与现有的一种平面曲柄摇块步行机器人运动轨迹曲线进行了比较。结果表明,RSTR步行机在行走过程中,重心较平稳,速度也较均匀。由于RSTR步行机采用的是单自由度闭链机构,因此,它比多自由度空间开链机构的步行机控制简单。     

一种可重构四足移动机器人的几何约束及其抗倾覆能力

提出了一种在倾倒后具有自我恢复能力的四足并联移动机器人.该四足机器人的腿部结构由一种可重构空间六杆机构构成,该六杆机构由两个改进型球面五杆机构并联而成,具有两种不同的运动位形.其中,运动位形Ⅰ具有1R2T共3个自由度,满足四足机器人对腿部行走机构的自由度需求;运动位形Ⅱ具有2个自由度且工作空间很大,满足其翻身所需要的工...     

面对称Bricard-like机构的设计与研究

由于空间单环机构巧妙的几何约束,Bennett机构、Bricard机构等被陆续提出并被广泛研究。将多个反四边形机构通过转动副回环连接,可以构造一类新型空间机构,该类机构具有类似空间单环机构的运动特点。提出了一种类似面对称Bricard机构的面对称Bricard-like机构。该Bricard-like机构由两个相同的反四边形单元和一个反平行四边形单元构成。根据反四边形单元的运动特点,将Bricard-like机构简化为变杆长的面对称Bricard机构。而后通过分析其等价6R机构的D-H参数及闭环方程,得到了该机构的自由度以及运动轨迹。此外,根据运动轨迹,分析了该机构的运动特性,揭示了该机构能够实现内翻运动和外翻运动,进而实现无限翻转运动。并讨论了该机构的无限翻转的可行性条件,给出了构造无限翻转机构的约束条件。最后通过制作样机模型,验证了构造方法的可行性和理论分析的正确性。     

空间单环RPSC机构的运动和奇异分析

单环机构又称单闭链机构,这类机构运动巧妙,在诸多领域有着广泛应用。另外,在工程实际中还常常在开链机构中加入局部闭链以改善动力学性能,增加结构刚度等。介绍一种能够实现垂直Darboux运动(Vertical Darboux motion,VDM)的空间单环RPSC机构,运用螺旋理论对其约束及运动性质进行分析。通过对锁住其驱动关节后的等价机构进行约束分析,确定了该机构的一类特殊驱动奇异,并借助相对直观的几何方法对RPSC机构中存在的这种奇异位形做进一步解释与说明。对机构中RPS分支的主要特点进行概括,并由特殊到一般地提出了一类具有相似特性的单环机构。     

4-RUP_aR并联机器人机构及其运动学分析

提出一种能实现三维移动和绕z轴转动(3T1R)的新型对称4-DOF空间4-RUPaR并联机器人机构。采用螺旋理论分析4-RUPaR并联机器人机构实现空间3T1R运动的机构学原理,计算其自由度,讨论输入选取的合理性。以机构的杆长为约束条件,建立约束方程,得到位置分析的非线性方程组。推导机构位置正解的一元超越方程,并应用自适应变异粒子群算法(Adaptive mutation particle swarm optimization,AMPSO)求解该方程。导出位置反解的封闭方程及速度、加速度的表达式。最后应用算例对位置正反解的研究结果进行数值验证,正解结果与反解结果十分吻合。在位置正解分析的基础上,对算例的速度和加速度正解进行分析。     

具有连续转轴的对称2R1T三自由度并联机构型综合

为综合出更多具有连续转轴的并联机构新机型,提出一种具有连续转轴的两转一移（2R1T）并联机构型综合新方法。运用螺旋理论,给出该类机构约束螺旋的空间布置,提出并联机构连续转轴的判别条件,确定分支运动副类型及空间位置关系。基于分支约束力与分支运动副之间的几何位置关系,证明了该类机构能够实现连续转动。利用该方法对具有平面上任意直线为连续转轴的对称两转一移并联机构进行综合,并仿真验证了研究结果的正确性。该综合方法简单、有效。     

Design of a novel side-mounted leg mechanism with high flexibility for a multi-mission quadruped earth rover BJTUBOT

Earth rover is a class of emerging wheeled-leg robots for nature exploration. At present, few methods for these robots’ leg design utilize a side-mounted spatial parallel mechanism. Thus, this paper presents a complete design process of a novel 5-degree-of-freedom (5-DOF) hybrid leg mechanism for our quadruped earth rover BJTUBOT. First, a general approach is proposed for constructing the novel leg mechanism. Subsequently, by evaluating the basic locomotion task (LT) of the rover based on screw theory, we determine the desired motion characteristic of the side-mounted leg and carry out its two feasible configurations. With regard to the synthesis method of the parallel mechanism, a family of concise hybrid leg mechanisms using the 6-DOF limbs and an L_1F1C limb (which can provide a constraint force and a couple) is designed. In verifying the motion characteristics of this kind of leg, we select a typical (3-UPRU&RRRR)&R mechanism and then analyze its kinematic model, singularities, velocity mapping, workspace, dexterity, statics, and kinetostatic performance. Furthermore, the virtual quadruped rover equipped with this innovative leg mechanism is built. Various basic and specific LTs of the rover are demonstrated by simulation, which indicates that the flexibility of the legs can help the rover achieve multitasking.     

单动力可转向爬行Schatz机构

基于经典Schatz机构提出一种在单一动力机的驱动下可以在地面上爬行并可控制移动方向的新概念移动机构。首先,根据Schatz机构的结构特性,考虑地面移动的功能需求,提出爬行Schatz机构的设计方案,进行了杆件形状设计和电动机的布置。其次,分析其移动机理。然后,基于动力学仿真软件建立虚拟样机进行仿真试验。继而,根据所发现的移动特性进行移动路径规划,提出对电动机进行转速调控以实现移动方向控制的方法,研究使其实现平面内任意移动的控制策略。最后,设计制作了样机,通过试验摸索出其移动规律,验证了转向控制方法和策略,试验结果证明了理论分析及研究的正确性。     

螺旋理论在空间机构运动和动力分析中的应用

本文用正交螺旋法对一自由度单环空间机构的运动分析进行了研究,导出其速度和加速度的计算公式,在此基础上又对其动力分析进行了研究,从而扩展了螺旋理论的应用。     

Design and analysis of partially decoupled translational parallel mechanisms with single-loop structures

This study presents a family of novel translational parallel mechanisms (TPMs) with single-loop topological structures. The proposed mechanism consists of only revolute and prismatic joints. The novel TPMs are simpler in structure and have fewer joints and components than the well-known Delta Robot. Four types of 2-degree of freedom driving systems are applied to different limb structures to avoid the moving actuator that causes the problem of increased moving mass. Four sample TPMs are constructed using the synthesized limbs, and one of them is investigated in terms of kinematic performance. First, a position analysis is performed and validated through numerical simulation to reveal the characteristics of partially decoupled motion, which improves the controllability of TPM. Second, singular configurations are identified, and the resulting singularity curve is obtained. Lastly, the workspace of TPM is analyzed, and the relationship between the singular configurations and the reachable workspace is explored. The workspace of the 3-CRR (C denotes the cylindrical joint and R denotes the revolute joint) translational mechanism is also presented to prove that the proposed TPM has a fairly large workspace.     

非过约束五自由度并联机构存在性问题的解析判定

针对非过约束五自由度并联机构是否存在这一机构学公开难题进行了解析判定。分析了构成两种五自由度并联机构所需要的约束的性质和数目,以及它们之间的关系。以螺旋理论为分析手段,得到了非过约束五自由度并联机构存在的解析条件,找到了可以由3条满足该解析条件的运动支链组成的机构。给出了这类机构存在的约束矢量条件以及设计范例。