后处理全齿轮传动机械臂的设计

针对纯齿轮传动的机械臂存在的耦合关系复杂、传动件外露、灵活度低和重复定位精度低等问题,提出新型全齿轮传动的机械臂设计方案. 该方案通过运动关系解耦,将齿轮组间2种强相关耦合关系简化为1种. 基于耦合逻辑关系简化和结构优化,实现了关节全密封与无限转动的设计理念. 通过机械臂运动学解析解公式推导与全齿轮传动耦合逻辑分析结果的结合,完成适用于全齿轮耦合传动机械臂的控制算法设计. 基于耦合控制算法进行机械臂的运动空间分析与控制程序编写,实现机械臂的灵活性验证与自动控制功能,并在机械臂测试系统上进行试验验证. 仿真和试验结果表明,该机械臂的耦合原理、设计结构和控制算法可行,满足复杂放射性环境下机械臂自动化应用的需求.     

三自由度虚轴机床作业空间研究

定义了三自由度虚轴机床的作业空间、可达作业空间和灵活作业空间的概念 ,提出了灵活作业空间是三自由度虚轴机床可达作业空间的一级子空间 ,可达作业空间的其余部分是机床可达作业空间的二级子空间的观点。根据三自由度虚轴机床运动学方程 ,构造出三自由度虚轴机床作业空间的实体模型 ,分析了机床的可达作业空间和灵活作业空间。研究了相关参数包括最大杆长、最小杆长、上下平台外接圆半径差和上下平台外接圆柱高对三自由度虚轴机床作业空间的影响关系 ,绘制了各种影响的关系曲线 ,对合理设计三自由度虚轴机床的灵活作业空间起到了重要的参考作用     

机器人手腕机构分析及优化设计

本文在分析了机器人三自由度手腕机构的基础上,提出了一种能国产化的新型手腕机构。文中对此种手腕的工作原理,特点加以阐述、同时以手腕体积小、动态响应快、定位精度高、动力矩小等为目标函数进行优化设计,最后获取了手腕机构的优化参数.     

双臂三自由度柔性连续体机器人的运动分析及实验研究

柔性连续体机器人在手术医疗、救险勘探和农业作业等领域得到了广泛应用,为了对其进行更广泛的应用和得到此类柔性体结构运动学理论,进而进行精确的姿态控制,提出了一种双臂三自由度柔性连续体机器人,并结合常曲率变形原理,建立了柔性连续体机器人弯曲变形运动的姿态参数运动学和驱动参数运动学的理论模型,分析了双臂协调运动工作可达空间.以运动理论模型为基础,运用MATLAB对三自由度柔性连续体机器人进行了变形运动仿真,并搭建了原理样机,对双臂柔性连续体机器人运动学理论模型的末端点轨迹和姿态进行了实验,验证了理论运动模型的准确性,并分析归纳了双臂三自由度柔性连续体机器人样机实验与理论误差的影响因素,其末端轨迹和整体姿态的理论与实验误差均不超过5.9%.     

多高层隔震结构等效简化模型动力响应分析

结合现有多高层隔震结构等效模型的研究基础,提出了多高层隔震结构等效模型的动力响应分析方法,使结构响应解析解具备明确的物理与工程意义。针对多层隔震结构等效简化后的两自由度模型,其运动方程的求解若采用实际工程中应用广泛的强振型解耦法将产生较大误差,采用Kelly法解耦求解可使求解结果精度大大提高。针对高层隔震结构等效简化后的三自由度模型,先采用强振型解耦法解耦,分析强振型解耦法求解的误差,对结果进行修正,即采用提升强振型解耦精度的方法求解同样可使求解精度大大提高。同时,用标准2阶振子的位移和速度表示非经典阻尼隔震结构的位移响应,使得现有基于经典结构的抗震设计方法可推广应用于具有非经典阻尼特性的隔震结构。结合两个算例,分别将多层和高层原结构简化为两自由度和三自由度模型,通过对原结构和等效简化模型对比求解验证了等效简化模型的有效性,且所提的针对非经典阻尼隔震结构的近似解耦求解方法是简单有效的,从而使得对于隔震结构的动力响应分析更加完备。     

一种三自由度并联驱动平台机构的空间位置解算和分析

介绍了一种三自由度并联驱动平台机构的空间结构和空间运动姿态的位置解算法，并分析了该结构平台在运动过程中所产生的附加运动，该三自由度并联驱动平台的三个支撑点采用直角三角形分布，经推算，和其它三点支撑的并联驱动平台相比，该三自由度并联驱动平台结构只产生绕z轴的附加运动，具有结构简单，易实现的优点。计算表明，所产生绕z轴的附加运动和独立的运动变量相比，其值很小，在实际应用中可明显提高运动的仿真效果，并且，应用的算法具体，简单快捷，可提高解算速度和微机时控制中的反应速度，具有直接的应用价值。     

永磁转子偏转式三自由度电机建模与结构分析

针对以往研究中单层结构永磁转子三自由度电机转矩特性的不足,提出一种新型永磁"蝶形"转子偏转式三自由度运动电机,采用球坐标系下分离变量法和洛伦兹力法分别对电机气隙磁场和转矩进行解析建模,确定气隙磁场空间谐波含量和结构参数对基波磁通密度和转矩幅值的影响,同时进行三维有限元仿真分析.通过研究两种计算方法下气隙磁场、自转和偏转转矩的特点及规律,并进行对比分析.结果表明:"蝶形"永磁转子结构的气隙磁通密度分布和转矩特性优于单层结构,气隙磁通密度径向分量空间分布近似平顶波,转子中间层磁极的气隙磁通密度幅值最大,解析法与有限元法的计算误差均小于6.7%.     

新型三自由度搬运机器人关键技术

针对从事机床上下料等工作的SCARA机器人,其电机和减速装置靠近执行末端,造成占用空间大、能效低的问题,设计一种新型三自由度搬运机器人,该机器人将前两关节的驱动装置集中于基座。基于这种新型构型,采用D-H法建立该机器人运动学模型并进行运动学分析,采用修正梯形模式的速度、加速度和位移方程进行轨迹规划,利用Solid Worlks软件建立新型三自由度搬运机器人的三维结构模型。制作简化的机器人模型和机器人实体,分别进行点到点运动比较试验和机床上下料的搬运试验。结果表明:该三自由度搬运机器人的结构设计有效降低了末端质量,增大了操作空间;且满足搬运、分拣等功能要求。     

无人水下航行器PID神经网络解耦控制

通过无人水下航行器动力学分析和运动建模,将系统解耦为航向、横滚、纵向三通道控制系统。为了消除解耦过程中存在的问题,采用PID神经网络控制算法来实现三自由度的独立控制。仿真结果表明,该控制方法不仅减少了计算时间,提高了响应速度,而且具有超调量小、稳态精度高等控制品质,对无人水下航行器的实际应用具有一定意义。     

一种位姿解耦的主操作手结构设计与优化方法

为提高医生对微创手术机器人主操作手进行操作时的一致性和灵活性,设计一种8关节串联型力反馈主操作手。从位姿解耦角度出发,通过一种双平行四边形结构实现位姿解耦,提高了主操作手在不同位姿下操作的一致性。利用改进后的D-H参数法和逆变换法,分别建立主操作手的正运动学和逆运动学模型,并从运动学角度验证了该位姿解耦策略的正确性。基于蒙特卡洛法,使用MATLAB编程,分析主操作手的最小工作空间。求解主操作手的雅可比矩阵,基于全域性能指标和全域性能波动指标定义了主操作手的综合运动性能指标,并以最小工作空间作为约束,用遗传算法对主操作手的运动性能和结构尺寸进行了分析与优化。结果表明:相比于优化前的初始设计,优化后主操作手的综合运动性能指标提高了15.32%,尤其是具备良好运动性能的工作空间体积增加到原来的3倍,已基本包含手术要求工作区域。主操作手在保证操作一致性和足够工作空间的基础上,具备了良好且稳定的运动性能。     

六自由度并联机器人输出解耦控制

六自由度并联机器人是一个非线性多输入多输出系统,各自由度运动输出之间存在耦合.利用反馈线性化和PD控制,仅实现了平移运动间的解耦,而旋转运动之间仍然存在耦合作用.为实现并联机器人运动输出间的完全解耦,在反馈线性化控制的基础上,设计了一种新的解耦控制器,利用该控制器可以进一步实现并联机器人的旋转输出解耦,同时,给出了控制器解耦性能的仿真验证.     

Inverse Kinematics Analysis of a 7-DOF Space Manipulator for Trajectory Design

To solve the inverse kinematics problem for redundant degrees of freedom (DOFs) manipulators has been and still continues to be quite challenging in the field of robotics. Aiming at trajectory planning for a 7-DOF space manipulator system, joint rotation trajectories are obtained from predetermined motion trajectories and poses of the end effector in Cartesian space based on the proposed generalized inverse kinematics method. A minimum norm method is employed to choose the best trajectory among available trajectories. Numerical simulations with the 7-DOF manipulator show that the proposed method can achieve the planned trajectory and pose under the circumstances of minimum angular velocities. Moreover, trajectory results from the proposed kinematics model and inverse kinematics method has the advantages of simple modelling, low computation cost, easy to solve and plan trajectory conveniently. The smooth and continuous joint rotation functions obtained from the proposed method are suitable for practical engineering applications.     

球面2自由度机器人的滑模变结构控制

球面2自由度5杆机器人的应用非常广泛,可用于机械数字化仪、微操作装置、灵捷眼和人体关节修复装置等。在球面2自由度5杆机器人运动学和动力学模型研究的基础上,提出了该类机器人系统的滑模变结构控制方法。介绍了球面2自由度机器人的机构和动力学模型。引入决定附加补偿力矩的指数趋近律,建立了球面2自由度机器人的控制算法。提出了外力、质量、转动惯量以及滑模控制参数等对球面2自由度机器人的控制精度和系统稳定性的影响规律,并对球面2自由度机器人进行了控制仿真。仿真表明,控制方法是有效的。在选择合理参数下能避免机器人系统的振荡,且能保持系统的稳定性、鲁棒性和提高系统的运动精度。     

二自由度超声波电机位姿检测与控制

为了探索多自由度超声波电机在微型机器人等控制领域的应用,提出电机的位姿检测与控制方法.以基于三定子的二自由度球形超声波电机为研究对象,以定子角速度的极小范数为优化目标,结合角速度矢量合成原理和电机的相位差调速方式,建立电机的前馈模型;提出基于机械鼠标原理的位姿检测机构,反馈球转子的姿态量,并结合PID分段斜率比较的控制策略实现电机位姿控制.测试结果表明,电机闭环轨迹控制的误差率为13%,位姿检测与控制的效果较好,为二自由度球形超声波电机的推广打下扎实的基础.     

7自由度仿人手臂运动学研究

介绍了服务机器人7自由度仿人手臂运动学分析的方法，对逆运动学求解采用两种方式：一种是将7自由度退化成6自由度来求运动学逆解；另一种是将机器人手臂分成臂和腕两部分，采用位姿分离法来求运动学逆解，体现了冗余度特性．两种方法简化了逆运动学求解，计算量都比较小，适合实时控制．     

7自由度仿人手臂运动学研究

介绍了服务机器人7自由度仿人手臂运动学分析的方法,对逆运动学求解采用两种方式:一种是将7自由度退化成6自由度来求运动学逆解;另一种是将机器人手臂分成臂和腕两部分,采用位姿分离法来求运动学逆解,体现了冗余度特性.两种方法简化了逆运动学求解,计算量都比较小,适合实时控制.     

面向在轨测量任务的伴飞机器人三维仿真系统

为了避免空间伴飞机器人末端探测器与自身载体或者与待测航天器之间发生碰撞,在实际进行在轨测量之前,需要对其末端探测器轨迹规划方法进行充分的三维图形仿真.针对现有空间机器人地面仿真系统不能可视化的问题,设计了一种基于虚拟现实技术的三维仿真系统.首先,建立了基于Open Inventor的空间机器人三维实体几何模型,并构建反应空间机器人逻辑位置的三维仿真场景.然后,基于数据传输技术和构建的三维仿真场景建立了空间机器人可视化三维仿真系统.最后,建立空间机器人运动学模型并对空间机器人末端执行器跟踪的圆弧轨迹进行规划.仿真结果表明,利用该系统可直观得到空间机器人的运动过程以及空间机器人载体的运动特性,有利于空间机器人的轨迹规划和控制算法的仿真研究,可避免因不当轨迹规划而造成空间机器人发生碰撞.     

网格计算环境中的球面并联机器人动力学仿真

基于以子结构为基本单元的建模思想,建立了3-DOF球面并联机器人的动力学解析模型,并基于网格计算技术构建了球面并联机器人动力学仿真的分布式并行计算环境。在网格计算环境中,由网格计算节点利用离线生成的动力学解析模型完成球面并联机器人动力学模型的并行仿真计算,减少了机器人动力学模型在线计算量和计算时间,为机器人的实时控制和仿真提供了有利条件。给出了球面并联机器人动力学模型矩阵的解析代码生成和仿真计算实例,研究了可调尺寸参数和惯性参数对机器人驱动力矩的影响。     

6自由度装校机器人逆解的确定

为了实现对自主研发的6自由度装校机器人的精确控制,提出了一种机器人的逆解确定方法。通过D-H(Denavit-hartenberg matrix)法建立机器人各连杆的参考坐标系获得D-H参数,推导出机器人的运动学正解并采用解析法求得运动学逆解。基于作业时间最优的思想,采用在X-Y平面末端定域方法从多组逆解中确定出一组运动学逆解。运动学逆解可以用于机械臂末端执行器的精确定位和运动规划,为实现机器人的轨迹规划及实时控制等提供了理论基础。