一种新型混联码垛机器人的设计与分析

设计了一种以2-UPS/U并联构型为基础来实现码垛机器人大臂抬升和旋转两个自由度运动,在大臂上串联RPR/R构型实现小臂运动的新型混联码垛机器人。对2-UPS/U并联机构和RPR/R串联机构进行了机构模型的位置分析,并建立了混联码垛机器人的整体数学模型。通过MATLAB软件和SolidWorks软件进行了混联码垛机器人的虚拟仿真分析,验证了所设计的新型混联码垛机器人的结构的合理性。得出该新型混联码垛机器人非常适合应用在码垛场合的结论。     

混联仿生机器狗构型研究

仿生机器人研究是机器人学研究的热点之一,由于多年的进化,生物的各关节运动一般难以用机械结构完全实现。为克服目前仿生机器人普遍存在的刚度低、肢体功能弱等不足,以机器狗为研究对象,结合狗的基本行为特征和各关节的生理结构,将各关节的主要功能进行排序,并提出重要性/权重法作为机器狗设计中简化各运动关节的依据;据此分别运用并联双自由度转动机构RGRR-Ⅰ、RGRR-Ⅱ以及单自由度转动机构设计机器狗的各关节,并构造出24自由度的混联机器狗。所设计的混联机器狗具有结构简单、制造容易、刚度强、控制便捷、肢体运动灵活等优点。此研究思路和方法,对其他类型的仿生机器人设计有借鉴作用。     

基于螺旋理论和自由度分配的混联机器人构型综合

合理的混联机构设计结合了串联机构和并联机构的优点,但是混联机构构型是机构设计中的难点。针对这一问题,提出一种基于螺旋理论和自由度分配原理的混联机器人构型综合方法,并通过四自由度混联机器人构型过程对该方法进行了验证。通过螺旋支链法完成并联机构构型,得到二、三自由度并联机构;根据自由度分配的原理,结合期望自由度对自由度进行分配,并进行四自由度混联机器人构型综合,得到了一系列四自由度混联机器人构型。     

基于单开链单元的3R2T混联机器人构型综合

通过分析少自由度串联机器人机构和并联机器人机构的构型特点,基于运动螺旋线性无关的原理,以单开链少自由度串联机构为单元,提出了一种系统有效的混联机器人构型综合的新方法和单并联、多并联混联机构的概念及表示方法。首先根据螺旋理论构造了单开链3R2T五自由度串联机构,其次将并联机构视为一个复合运动单元构型到串联机构中,替代串联机构中运动基相同且连续的若干运动单元,3R2T五自由度混联机器人构型,最后通过运动螺旋的线性组合来生成其它混联机构。     

基于ANSYS的混联码垛机器人主要部件受力分析

一种混联码垛机器人主要由大臂和小臂组成,大臂的摆动与俯仰运动采用2-UPS/U并联构型来实现,小臂串联在大臂上。混联机器人整体刚度好、稳定性好,但并联结构的受力情况较复杂,因此需要对主要部件进行受力分析。采用ANSYS软件对混联码垛机器人的主要部件进行了受力分析,并制造了样机进行验证。     

基于单开链单元的3T2R混联机器人构型综合

通过分析少自由度串联机器人机构和并联机器人机构的构型特点,基于运动螺旋线性无关的原理,以单开链少自由度串联机构为单元,提出了一种系统有效的混联机构构型综合的新方法和单并联、多并联混联机构的概念及表示方法。首先根据螺旋理论构造单开链3T2R五自由度串联机构,其次将并联机构视为一个复合运动单元构型到串联机构中,替代串联机构中运动基相同且连续的运动单元,从而获得3T2R五自由度混联机器人构型。最后通过运动螺旋的线性组合生成其他混联机构。     

球面并联式人形机器人髋关节机构运动学与仿生设计

从结构和功能仿生角度出发,提出球面并联式人形机器人髋关节机构,并针对其开展运动学分析与仿生设计。根据人体髋关节结构和运动特性,选取3-SPS/S(S为球面副,P为移动副)球面并联机构作为髋关节仿生原始构型;依据螺旋理论对髋关节原型机构自由度数目、性质及位置反解进行分析;采用遗传算法,以姿态工作空间最大化为目标对并联髋关节机构进行优化;结合人体髋关节实际结构特点,提出偏置输出方式,从而使得机构实际输出空间的形状和位置更加符合人体髋关节运动轨迹需求。研究内容为人形机器人髋关节仿生的理论研究和进一步的样机研制奠定了基础。     

RGRR-Ι构造混联6R机器人

新型并联双自由度转动关节(RGRR-Ⅰ)活动构件少、工作空间大,利用RGRR-Ⅰ构造混联6R机器人可以实现高刚度、大工作空间、机构紧凑等。提出混联机构的求解新方法,即建立少自由度并联机构的运动坐标参数与机构运动输入参数之间的关系,把混联机构的求解转化为各少自由度并联机构的求解和运动坐标参数之间的串联求解,降低了求解难度,可以方便地推导出位置的正解和反解。此方法对其他混联机器人的运动学分析有借鉴作用。     

混联机器人的分析与研究

串联机器人需在各关节上设置驱动装置,故各动臂的运动惯量较大,因而不宜实现高速或超高速操作。混联机构兼有并联机构刚度大和串联机构工作空间大的优点 混联机器人的研究关键是构造新型少自由度并联机构。新型并联双自由度转动关节（RGRR-1）可以实现运动解耦 其活动构件少,仅有3个活动构件 工作空间大,可以实现绕固定坐标系Z轴的摆动,幅度为-90°—90°,以及绕摆动轴X1轴的360°的转动 与串联双自由度转动关节相比,具有刚度好的优点。利用RGRR-1构造的混联机器人,具有刚度高、结构紧凑、工作空间大、制造容易等优点。     

菠萝采摘混联机构的设计与运动学分析

针对菠萝采摘机构工作空间大、刚度和承载能力高的要求,提出一种由1R2P串联机构和球面2自由度冗余驱动并联机构串联组成的混联构型方案.将混联机构简化为一个5自由度空间开式运动链,采用D-H方法建立运动学方程,得到位置正反解.对球面2自由度冗余驱动并联机构进行尺度设计,得到位置反解.应用ADMAS软件建立虚拟采摘机构模型,进行运动轨迹规划和仿真分析.结果表明,机构各杆件在运动空间范围内约束条件没有发生破坏,杆件之间无结构干涉,运动关节速度和加速度变化平缓,无突变.杆件尺寸参数设计合理,为菠萝采摘设备的研制提供了理论依据.     

Experimental Characterization of Operation of a Waist-Trunk System with Parallel Manipulators

An extensive research activity has been focused on the upper and lower limbs of humanoid robots. However, due to mechanical design difficulties and complex control of multi-body system, the torso of humanoid robot is somehow a neglected or simplified design part. In this paper, operation performance of a new waist-trunk system as torso for humanoid robots is presented through results of lab experimental tests. The proposed waist-trunk system is composed of two 3 DOFs (degrees of freedom) parallel manipulators, which are connected in a serial chain architecture. A prototype is built by using two prototypes of CaPaMan (Cassino Parallel Manipulator), which are convenient stiff architectures with easy-operation characteristics. Experimental tests are carried out with the aims to imitate lateral-bending and transverse-rotation movements of human torso. Operation performances like displacements, accelerations, and actuation torque are measured for a performance evaluation and design characterization of the used manipulator solution imitating human torso. Experimental test results are illustrated and discussed to show the practical operation feasibility of the proposed architecture and the operation characteristics of the built prototype.     

Design and control of a 3DOFs parallel actuated mechanism for biped application

In this paper, a novel approach to carry out the design of a three degrees of freedom (3DOF) actuated mechanisms for humanoid robots joints is presented. Instead of common serial mechanism, a more robust parallel mechanism was developed. This kind of structure gives the terminal body the ability to move within a cone from the nominal position and permits unlimited rotation about the cone pointing axis. Kinematic analysis are presented in this paper. A biped robot ROBIAN with parallel hip and ankle mechanisms was developed and experimental tests were carried out to evaluate the performances of the adopted structure.     

仿人机器人SJTU-HR1及其运动分析

SJTU-HR1是由并联关节的组成的34个自由度新型仿人形机器人,根据人体生理结构设计了其各个关节。把各个并联机构关节作为一个模块,定义了关节的输出角度和输入角度,建立仿人形机器人整体坐标系,建立手臂和腿末端的位置正反解模型。为仿人机器人运动规划,动作设计以及控制系统建立奠定基础。     

Posture optimization for a humanoid robot using a simple genetic algorithm

This study proposes a method of real-time posture optimization of humanoid robots using a genetic algorithm and neural network. Here, the motion of a humanoid robot pushing an object is considered. When the robot starts pushing the object, the palms of its hands and the soles of its feet are assumed to be fixed on the object and on the ground, respectively, and they sense the reaction force from those surfaces. The reaction force results in changes of torques in the joints. This study determines an optimized posture using a genetic algorithm such that either the torques are evenly distributed over all joints or the torque of the weakest joint is rapidly reduced. Several different optimized postures are then generated by varying the reaction forces at the palms and the soles. The data is used as training patterns for a multilayer perceptron neural network with a back-propagation learning algorithm. Using the trained neural network, the humanoid robot can find the optimal posture for different reaction forces in real time. Several simulations were conducted to confirm the effectiveness of the proposed method. The simulation results showed that the proposed method can be used for real-time posture optimization of humanoid robots.     

基于偏置输出3-RRR+(S-P)球面并联机构的仿生髋关节

首先以偏置输出的3-RRR+(S-P)仿生关节机构为原型机构,依据仿生原则并参照人体股骨结构,确定关节机构的偏置角。然后,提出关节机构工作空间与人体髋关节运动空间相协调的设计原则,进而确定关节机构的安装定位角度,完成人形机器人髋关节设计;建立仿生关节空间与机构空间的映射关系,并对该髋关节的运动学正反解进行求解。最后,通过数值计算证明关节机构可实现人体基本运动,同时使用Xsens Technologies公司的可穿戴式完全无线3D身体惯性跟踪仪及磁性运动跟踪器,采集人体髋关节在实际运动状态下的位姿信息,将获取信息经映射关系转换和反解变换,导入ADAMS模型中进行校验,进一步验证了建立的映射关系、安装定位角度及正反解的正确性。     

An eight-degree-of-freedom upper extremity exoskeleton rehabilitation robot: design,optimization, and validation

Upper extremity exoskeleton rehabilitation robots can be used for the training of patients with upper extremity motor dysfunction. In most cases, the design of such robots focuses on the configuration and the human-machine compatibility. For patients, the use of an exoskeleton rehabilitation robot mainly aims to improve their movement ability, which depends on the range of movement of the upper extremity joints. This paper proposes an eight-degree-of-freedom (DOF) upper extremity exoskeleton rehabilitation robot to improve the movement range of the patient’s upper extremity joints. The structural parameters of the shoulder joint are optimized and analyzed by the kinematic equations of the mechanism and the cyclic iteration algorithm such that the movement range of the patient joint can be maximized. The movement space of the robot is then simulated. Finally, the movement range of the rehabilitation robot joints and the movement space of the rehabilitation robot were measured. Experimental results show that the upper extremity exoskeleton rehabilitation robot can meet the patient’s shoulder, elbow, and wrist movement range, and the overlap with the human upper extremity movement space is 97.1 % and 95.7 % in the coronal and sagittal planes, respectively.

     

三自由度自适应抓持仿人手的设计研究

设计完成了用于仿人形机器人上的具有自动适应被抓持物体几何特征的三自由度仿人手。论文首先设计了具有自适应抓持能力的手指机构，进一步对该手指机构各关节之间的运动耦合关系进行了分析研究，并通过虚拟样机技术验证了所设计的仿人手机构传动系统的正确性和自适应抓持的可行性，最后提出了衡量仿人手抓持能力的指标，分析了所设计的仿人手的抓持能力。所有结果都表明手指机构是合理实用的，所设计完成的仿人手达到了设计要求。     

基于激光深度传感器的仿人机器人动作示教

针对机器人的运动示教问题,提出了一种基于激光深度传感器的示教系统。利用激光深度传感器能够快速准确获得人体各关节空间三维坐标的性质。通过分析机器人的关节构型,推导出由笛卡尔坐标空间到关节空间的转换公式,利用该公式,能够实现人体各关节转角的实时计算,进而实现对机器人的简单快捷的运动示教。为了在平滑数据的同时避免延时,提出了一种基于速度的有选择均值滤波法。将该示教方法应用在BioROBO仿人机器人上,试验结果证明了该方法的有效性。     

拱泥机器人运动特性分析与仿真

针对拱泥机器人在泥土环境中前进时所受转向阻力矩大的特点,结合并联机构承载能力强、运动反解容易等优点,提出采用Tricept型并联机构作为拱泥机器人转向机构的方案,以提高拱泥机器人的驱动能力.给出拱泥机器人机构的整体方案,建立拱泥机器人各杆件坐标系的变换矩阵.通过对拱泥机器人运动特性的分析,建立拱泥机器人运动轨迹的数学模型,利用计算机仿真技术模拟出拱泥机器人运动的整个过程,并给出拱泥机器人在有无障碍物情况下转向关节的角度变化.仿真结果为拱泥机器人在机构设计与路径规划研究等方面提供了依据,为拱泥机器人的运动学、动力学的分析与仿真以及虚拟样机的建立打下了一定的理论基础,同时也为其他仿生机器人的运动特性分析提供了一种有效方法.