基于并联机构的仿人机器人结构设计

仿人型机器人具有较强的环境适应能力.为了提高机器人的灵活性及稳定性,文章采用球面三自由度并联机构作为腰关节,并对该关节结构进行了改进,设计了一种新型的仿人型机器人,并利用ADAMS软件对其进行了仿真验证.结果表明,机器人能够进行完整的步态行走,腰部并联机构采用3-RRR+S’-p机构,能够实现机器人腰部的灵活运动,具有较好的稳定性和刚性.     

仿人机器人腰部机构的动力学建模、控制与仿真

本文介绍的仿人机器人具有差动腰部机构,它除了受自身的动力学影响以外,还受到手臂和车体运动以及外力、外力矩等对腰部机构关节力矩的影响.笔者利用高效牛顿-欧拉算法完成了仿人机器人的整体建模;在不考虑各关节间耦合运动的情况下,对整体动力学模型进行适当简化,得到了腰部机构的动力学模型.简化后的动力学模型既反映了机器人车体、腰部及双臂的动力学关系,又大大地减小了计算量,易于实现基于动力学的控制算法.基于动力学模型,给出了腰部机构PD伺服轨迹跟踪控制算法,并结合计算力矩方法用于补偿腰部机构两关节受到的力矩扰动.仿真分析表明,该控制方法可以明显提高腰部机构的位置跟踪精度,并提高仿人机器人的整体作业精度.     

冗余度机器人运动学模糊优化

冗余度机器人由于具有冗余自由度,可以在运动学上实现机器人避奇异位形,仿止关节运动范围越限,避障碍物等多种优化,从而使该类机器人的操作性能和灵活性能得到了提高.文章采用多目标模糊优化方法,建立了冗余度机器人运动学的多目标模糊优化的数学模型,构造了模糊优越集,从而求解出多目标函数在可行域空间的最优解,最后经过仿真验证了该方法的可行性.     

基于人体关节的七自由度仿人手臂设计与分析

根据人体关节特点,提出采用并联机构作为机器人手臂的各个关节。定义两种并联机构模块:正交三自由度球面并联机构3-RRR,用SS来表示;正交两自由度球面并联机构2-RR,用SU来表示。根据人手臂的关节的运动特点,采用模块SS作为手臂的肩关节,用模块SU作为手臂的肘关节和腕关节,串联起来设计了串并联七自由度手臂。定义了模块的输入角度和输出角度,得出了两种角度的数值关系。在此基础上对7自由度手臂进行了位置分析,通过仿真验证了其正确性。为控制系统的研究奠定了基础。     

气动技术与构型组合在机器人领域的应用

为解决类人型短小气动肌肉末端固定和无法同轴安装传感器的问题,影响气动机器人的精确建模和精确伺服控制,以及为了更加惟妙惟肖地采用气动元件进行仿生,以单关节、多关节气动肌肉、气缸构建基本构型的关节为基础,设计柔性冗余串、并、混联的仿人关节,单关节、多关节冗余气动肌肉与肌群结合的柔性机器人,单关节、多关节气缸并联构成的刚性机器人,气动肌肉、气缸与机构学结合组成的刚柔混合机器人,为气动机器人的设计提供新的思路。     

基于MATLAB的手臂康复机器人仿真研究

手臂康复机器人通过牵引患肢按规定轨迹运动,以锻炼肌肉、恢复运动功能,实现手臂康复训练.该机器人采用极坐标形式,由电机驱动各关节协调控制实现手臂的平面运动,该机器人可以在水平面和垂直面进行手臂运动锻炼.建立了基于MATLAB的手臂康复机器人控制模型,基于虚拟现实技术进行了仿真,仿真结果说明系统达到了预期效果.     

基于SimMechanics的仿人机器人运动学仿真

利用Matlab／SimMechanics机构仿真工具建立了仿人机器人机构的仿真模型,并由模型图直观地观察仿人机器人的动态步行过程,求出了机器人躯体重心的角加速度和髋关节的扭矩变化图。建立了仿人机器人的瞬时状态的平面五杆机构运动模型,根据Kane法求解出了机构的动力学方程。在机构分析中应用SimMechanics仿真工具,为机械系统的仿真提供一种十分简便的方法。     

关节型冗余度机器人的运动规划

机器人机构的运动规划是进行机器人智能化设计的重要基础.文章针对关节型冗余度机器人的运动特点,以机器人运动学的理论作为基础,建立了关节型冗余度类机器人机构的运动学模型,并根据机器人机构的尺寸和边界约束条件,分析和确定了机器人各关节点的运动可行区域,运用复合形方法优化筛选出合乎需求的关节点的坐标位置,从而为关节型冗余度机器人的运动学逆解算提供了一种行之有效的优化设计方法.     

基于位姿分离算法的冗余机器人逆运动学分析

针对冗余机器人逆运动学求解复杂、实时性差的缺点,提出一种基于冗余机器人位姿分离的逆运动学求解算法。该算法以腕点矢量为目标,计算冗余机器人位置关节的逆解及位置关节对腕关节的误差补偿,得出腕关节逆运动学解。通过建立基于运动轨迹的逆运动学约束泛函,对冗余机器人的逆解进行了优化。得到机器人关节运动特性随约束泛函的变化曲线以及关节逆解的优化解流形。     

面向爬楼梯场景的仿人步态机器人机构设计与行走功能试验研究

现有仿人步态机器人装置大多存在重心变化幅度大、升降平稳性差、运动控制难、布置灵活性不足等问题。为此,设计一种新型的仿人爬楼梯步态运动方式机器人。将平移机构和升降机构相结合,实现阶梯状运动轨迹。研究其核心构件、关键的功能原理和主要的力学特征;通过进行ADAMS运动学仿真和搭建实物样机试验,验证这种双剪叉结构与丝杆传动形式相结合的升降机构设计的可行性。结果表明：该机构能适应台阶立面高度160~180 mm、平面长度290 mm以上的楼梯场景,并具有良好的负载爬梯功能。     

两移一转冗余并联机构的奇异性分析

提出一种具有冗余分支的并联平面机构,利用旋量理论和李群李代数对该机构进行运动分析,在对分支进行运动分析时,对不同分支采用了不同的初始位置,使得运动方程更加简洁明了。计算了机构的工作空间,提出了最大有效空间,分析了该机构的奇异性,分析了冗余分支对机构奇异性的影响。     

基于关节极限的冗余机械臂混沌动力学及控制

考虑关节位移极限指标,研究冗余机械臂系统动力学特性及延迟反馈法对系统混沌运动控制。以平面3自由度机械臂为研究对象,利用Jacobian矩阵伪逆法得到平面机械臂系统的动力学模型。基于关节位移极限指标,建立冗余机械臂系统的混沌动力学状态方程,采用龙格库塔法对模型求解,利用相图、Poincaré图及Lyapunov指数图等进行分析。结果表明基于关节位移极限的冗余机械臂的自运动表现出混沌现象。在此基础上,利用延迟反馈法进行混沌控制,得到在合适的扰动权重参数条件下,延迟反馈控制能使冗余机械臂的混沌运动稳定在周期轨道上,且发现在混沌吸引子内存在除1倍周期以外的2倍周期以及3倍周期窗口,通过选取不同的扰动权重能使系统稳定在不同的周期轨道上。     

Navigation through unknown and dynamic open spaces using topological notions

Until now, most algorithms used for navigation have had the purpose of directing system towards one point in space. However, humans communicate tasks by specifying spatial relations among elements or places. In addition, the environments in which humans develop their activities are extremely dynamic. The only option that allows for successful navigation in dynamic and unknown environments is making real-time decisions. Therefore, robots capable of collaborating closely with human beings must be able to make decisions based on the local information registered by the sensors and interpret and express spatial relations. Furthermore, when one person is asked to perform a task in an environment, this task is communicated given a category of goals so the person does not need to be supervised. Thus, two problems appear when one wants to create multifunctional robots: how to navigate in dynamic and unknown environments using spatial relations and how to accomplish this without supervision. In this article, a new architecture to address the two cited problems is presented, called the topological qualitative navigation architecture. In previous works, a qualitative heuristic called the heuristic of topological qualitative semantics (HTQS) has been developed to establish and identify spatial relations. However, that heuristic only allows for establishing one spatial relation with a specific object. In contrast, navigation requires a temporal sequence of goals with different objects. The new architecture attains continuous generation of goals and resolves them using HTQS. Thus, the new architecture achieves autonomous navigation in dynamic or unknown open environments.     

不确定机器臂系统的鲁棒追踪控制设计

针对机器臂的不确定动力学参数和外部未知干扰,提出了一种自适应雅格比追踪控制策略,运用李亚普诺夫方法及滑模控制来加强系统的渐进稳定性,可使机器臂末端装置的运动误差渐进收敛到零。仿真结果表明,该控制器运用于二自由度机器臂具有较好的鲁棒性和动态性能。     

Design method for machine tools with bionic inspired kinematics

Complete processing in one machine calls for a configuration targeting major process stability as well as a structure geared towards accuracy and dynamism. The compromise between potential dynamism and machine size can be improved by using redundant drives. The advantageous use requires the specialization on partitioning of the complete motion. With the presented algorithm the reactive sectioning of a multidimensional motion into two components with different dynamic characteristics succeeds. This provides a useful basis for the application of the principle of dynamic sectioning for a suitable design of drive redundant machine structures. This paper describes models, simulation tools and the method of the development process.     

一种新型运动冗余并联机构的运动学研究

针对传统3-RPR型非冗余平面并联机构运动过程中存在奇点,且需要较大驱动力矩无法实现平滑轨迹跟踪问题,提出了一种新型3-PRPR运动冗余并联机构。建立了新型并联机构的位置、速度和加速度模型,基于运动学模型进行了工作空间仿真分析,分别对不同末端执行器位置和大小、不同基圆半径对工作空间的影响进行了对比分析,并对工作空间运动轨迹进行了分析。仿真结果表明:末端执行器位置只影响定向工作空间,对可达工作空间无影响;定向工作空间和可达工作空间均与基圆半径成正比;末端执行器大小与定向工作空间成反比,与可达工作空间成正比。相同条件下,与传统3-RPR并联机构相比,所提出的新型并联机构工作空间明显增大,证明了该新型并联机构的有效性。     

基于4-PPPS并联机构的机身舱段对接方法研究

基于多数控定位器构成的分布式4-PPPS并联机构,实现舱段的自动化精准对接。冗余驱动能够提高机构承载能力、使驱动力分配更加均衡,但冗余系统构成的黎曼流形内存在高维零空间,协调分配的非线性方程具有多约束和非正定性,分配不当会产生过大的应力应变。为同时实现对接过程运动学层面的精准和动力学层面的稳态协同,基于旋量理论,将刚体运动分解成绕任意轴的转动和平移,建立运动学模型、确定关节驱动量。推导非冗余和冗余情况下的动力学模型,并求解舱段角速度和角加速度等影响对接运动特性的模型参数。提出了以力二范数最小为目标对对接运动驱动力进行优化分配的求解方法。以5次多项式描述位姿轨迹,用黄金分割法逼近出最优时间。最后开展了非冗余和冗余驱动的对比仿真,对接过程精准平稳,证明了此方法的正确性和可行性。     

电液混合全冗余并联机构驱动优化

基于冗余并联机构主动输入约束螺旋线性相关性的分析,以Stewart平台机构为原型,构造12-UPS全冗余驱动并联机构。通过比较电动驱动和液压驱动的不同,确定机构适宜采用电动液压混合驱动形式。应用影响系数法建立该机构的动力学模型。为区分处理电动缸和液压缸,以零内力为约束条件对驱动力进行优化。分别以驱动力平方和最小和驱动功率平方和最小为目标,应用库恩—图克定理研究机构的驱动力优化过程。数值算例表明,零内力条件下以驱动功率平方和最小为目标的优化方法最佳。该优化方式能够充分发挥电动、液压驱动各自的优点而避免其缺点,适用于电液混合驱动的全冗余并联机构。