一种新型混联码垛机器人的静力学分析及结构优化

以所开发的一种新型混联码垛机器人为研究对象,建立其虚拟样机。应用Solid Works Simulation模块首先对样机中的动平台、回转台进行静态力学分析,根据分析结果进行改进;对混联码垛机器人在最大载荷下的几个关键位姿进行分析,得到其在工作空间内的应变、应力和位移云图。通过对关键零件的改进提高了混联码垛机器人的刚度和力学性能;对整机的分析得出了混联码垛机器人在它给定的工作空间内静刚度分布特点,为以后混联码垛机器人的进一步设计提供了参考。     

(2-UPS+U)&R串并混联机构工作空间分析

提出了一种新型串并混联机器人,该机器人腿部采用了3自由度(2-UPS+U)R串并混联机构,具有工作空间灵活、能耗低、地形适应性强等特点。同时还对(2-UPS+U)R串并混联机构的自由度进行了分析计算,求解了该机构的工作空间,验证了该机构工作时的灵活性。     

2RPU/UPR+RP五自由度混联机器人静刚度分析

为快速建立基于三自由度并联机构2RPU/UPR构造出的五自由度混联机器人的解析刚度模型,首先对混联机器人的结构进行了描述;然后基于串联和并联结构独立求解思想,建立了混联机器人的位置反解模型;再对混联机器人的结构进行简化处理,分别求解并联部分与串联部分两子系统的静刚度模型,从构造系统的力旋量系和弹性变形协调条件入手,简单且快速地建立了混联机器人的整体刚度模型;最后构造混联机器人的等效三维模型,运用有限元和MATLAB软件,对典型位姿下混联机器人受外力/力矩产生的微位移进行仿真验证,并给出了整机静刚度在任务空间中随位形变化分布图。通过仿真与理论计算的对比分析,验证了该混联机器人理论刚度模型的正确性。     

基于RPR/RP+2R+P的铝合金结构件加工机器人设计

新能源汽车是我国应对节能减排挑战的需要，发展前景巨大。针对新能源汽车车身主要采用铝合金材料，要求加工机床灵巧轻便，整体刚度适中，能够实现复杂曲面的精准成形等需求，提出一种基于RPR/RP平面并联的五自由度混联机器人构型。首先，建立RPR/RP+2R+P五自由度混联机器人基本构型，分析计算混联机器人的自由度，完成五自由度混联机器人的初始样机结构设计。其次，求解并联与混联构型位置的正反解以及速度雅可比。然后，求解五自由度混联机器人的位姿空间；以分支杆驱动力为优化指标，工作空间内机构运转不干涉为约束条件，采用Adams-Matlab联合仿真定量分析各结构参数对分支驱动力的影响，以线性回归算法进行数据拟合，完成初始样机的尺度优化。最后，以混联机器人整机及其关键构件的刚度为优化指标，采用有限元分析的探究方法对五自由度混联机器人初代样机实现递进式的结构调整，对整机进行模态分析以得到机器人振动特性。在满足刚度要求的前提下，采取少分支构型降低制造成本，加工过程可视，为针对轻薄结构件加工的混联机器人设计提供了新思路。     

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。     

新型四足步行机器人串并混联腿的运动学分析

针对串联四足机器人行走惯量大,自重/载重比大的问题,提出一种新型串并混联四足步行机器人,并对该机器人的串并混联腿进行运动学分析。该机器人由一个运载平台和四条结构相同的串并混联腿组成,每条腿均由髋关节、大腿、小腿顺次连接构成,其中髋关节为3-RRR并联机构。以能耗最小姿态为最优姿态,基于矢量法求解了该串并混联腿的运动学正解和反解,利用MATLAB和ADAMS软件验证了正解和反解的正确性;基于矢量法和微分变换法求出了该混联腿的速度雅克比矩阵和加速度矩阵,分析了其奇异性,并利用MATLAB软件绘制出该腿的工作空间。结果表明:该腿在髋关节连杆直径d=22mm,大腿杆件直径D=50mm,膝关节转角θ4∈[105°,155°]时,工作空间呈球冠形,最大内接圆半径R=400mm,高度为H∈[500mm,900mm]。本研究对该新型串并混联四足步行机器人的刚度分析、动态性能、机构优化设计和系统控制等的进一步研究具有重要意义。     

混联机器人空间插值迭代补偿法研究

为提高混联机器人的定位精度,综合考虑静态误差与动态误差对混联机器人在整个工作空间内定位精度的影响;对误差补偿方法进行研究,提出一种空间插值迭代补偿法,通过最大允许误差控制迭代次数可以得到不同的定位精度,用以满足不同的定位精度要求;最后通过MATLAB仿真试验将此算法应用到新型混联机器人定位误差补偿当中,并与空间网格插值补偿法进行对比,验证了所提方法的有效性。     

混联掩膜交换机器人姿态调整能力分析

掩膜交换系统是大型望远镜宽视场光学光谱仪的重要组成部分之一,利用并联机构刚度好的特点,提出了一种基于3-RPS并联机构的混联掩膜交换机器人概念设计,以解决掩膜交换系统在TMT宽视场光学光谱仪中刚度随重力矢量变化的问题。并重点分析了该混联掩膜交换机器人的姿态调整能力,以保证机器人能够在指定空间姿态下运行良好。     

混联机器人结构设计及优化

针对传统开放手术病人创伤大、微创手术医生易疲劳等现状,设计出一种基于混联结构的微创手术机器人。为满足微创手术的各种复杂动作,该机器人采用冗余8自由度结构提高其灵活性;结合球关节结构紧凑特点,所设计机器人采用串并联相结合的混联结构提高自身刚度,满足微创手术机器人高精度、小尺寸要求。依据所设计结构,在Matlab软件中对机器人的运动学、灵活工作空间等求解及仿真,论证了结构设计的合理性。     

基于自由度分配和方位特征集的混联机器人机型设计方法及应用

混联机器人机构兼有并联机构刚度好、定位精确及串联机构工作空间大、控制解耦性好等两方面的综合性能及优点,其设计的关键是基于操作器方位特征集的串(并)联自由度数目和顺序分配、组合方式及新型少自由度并联机构模块的构造及其性能评价.提出基于自由度分配和方位特征集的混联机器人机型设计方法,提出单点作业、多点协同作业二类混联机器人的定义、符号表示方法并分析其优缺点;给出按这二类作业方式设计3～5自由度混联机器人分别可能构造出的全部结构组合方案、设计原则和步骤;据此,创新设计出多种新颖结构的混联机器人机构实例,并研制单喷枪、三喷枪协同二款五轴混联高速喷涂机器人,比较这二种结构的性能优劣.研究为混联机器人机构的机型设计提供了一种一般性方法,为复杂先进装备的创新研制提供了机构设计的基础.     

基于给定工作空间的6R型机器人D-H参数优化设计

运用解析法分析并确定了影响6R型机器人工作空间的相关关节,进而运用图解法获得了6R型机器人工作空间边界曲线,并建立了6R型机器人工作空间的三维仿真模型。为了得到紧凑的结构,在给定工作空间的情况下,利用遗传算法对6R型机器人的D-H参数进行优化设计,得到了满足约束条件且使机器人连杆长度最小的最优解,并通过6R型机器人三维模型工作空间验证了优化结果的合理性。     

基于蒙特卡洛法的喷涂机器人工作空间分析及仿真

根据喷涂机器人工作情况,在求解多关节喷涂机器人的工作空间时,比较当前各种机器人工作空间求解方法,提出采用蒙特卡洛法分析其工作空间并通过机器人正向运动学方程求解得到机器人末端点的集合,从而有效地得到六自由度喷涂机器人的可达工作空间,取得了良好的效果.     

并串联复合机器人的鲁棒控制

针对并联机构具有较高的刚度和精度,但工作空间小的特点,提出一种由3自由度平动并联机构和放大机构相结合的机构,从而组成新型并串联复合机器人。根据拉格朗日方法,建立并串联复合机器人的动力学方程, 并讨论动力学方程的性质。研究并串联复合机器人的鲁棒控制问题,根据动力学的性质在笛卡儿坐标系中设计一种鲁棒控制策略。控制器由两部分组成:一部分为基于标称模型设计的计算力矩控制器,其作用是镇定标称的机器人系统;另一部分为一种基于Lyapunov方法设计的鲁棒控制器,其作用是消除不确定性对跟踪性能的影响。理论分析与仿真结果表明,该控制器对改善并串联复合机器人的轨迹跟踪精度十分有效。     

4自由度混联机器人静刚度分析

研究一种新型混联机器人模块-Bicept的半解析刚度建模方法。该模块由一含恰约束支链的2自由度平面并联机构和一与动平台末端串接的2自由度转头构成,是Tricept机器人的一种二维形式,具有制造成本低,工作空间大的特点,配以长行程导轨,可用于飞机壁板数字化自动制孔等场合。在完成2自由度并联机构位置逆解分析和变形分析基础之上,基于全变形雅可比矩阵建立该机构的静刚度半解析模型。建模中考虑了所有支链构件及铰链的弹性贡献,并侧重研究其恰约束支链弯曲刚度的精确建模问题。通过算例获得Bicept机器人面内静刚度在工作空间中的分布规律,并通过ANSYS有限元分析软件验证了计算结果的正确性。     

5自由度大工作空间/支链行程比混联机械手的概念设计与尺度综合

研究一类新型5自由度可重构混联机械手的创新设计和尺度综合问题,该机械手模块由-2自由度球面并联机构和一条通过滑移副与之串接的两转动-移动串联运动链组成.该混联机械手由于将定点转动与相对滑移运动解耦,因此具有工作空间/支链行程比大的特点,适合高速轻载作业,可作为即插即用模块用于搭建不同类型的加工制造装备.在建立2自由度球面并联机构的速度映射模型的基础上,分析该机构的奇异性和各向同性问题,并以速度雅可比矩阵最小奇异值的全域均值为操作性能指标,研究2自由度球面并联机构的尺度综合问题.通过单调性分析揭示出尺度参数对该指标的影响规律,进而将尺度综合问题简化为求解杆长等式约束问题.最后给出一组算例,使该尺度综合方法的有效性得到验证.     

Workspace analysis of a novel underactuated robot wrist based on virtual prototyping

The workspace denotes the work area of a robot, which is an important foundation of designing a robot. As formulating the suitable workspace models for a robot wrist is very crucial for analyzing its behavior, many researches have been focused on it in recent decades with a result of many valuable contributions. However, current researches always focus on rigid and full actuated robot wrist, while the robot wrist is always a multibody system, which can affect the accuracy of workspace analysis and simulation. This paper proposed a model of workspace analysis of a novel underactuated robot wrist based on virtual prototyping. After the conceptual design of a novel underactuated mechanism was introduced, the degree of freedom of the underactuated robot wrist was calculated. Then the detailed design of underactuated robot wrist was done. The whole workspace model of the robot system was then established. It was indicated that the working points in the workspace of the robot were distributed compactly and uniformly, which can meet design requirements with high efficiency. The workspace analysis of underactuated robot wrist and the accuracy analysis of underactuated robot wrist were also put forward. The result was testified by the simulation on Matlab, which demonstrated that the methodology is obviously helpful for robot design.     

State-of-the-art on theories and applications of cable-driven parallel robots

Cable-driven parallel robot (CDPR) is a type of high-performance robot that integrates cable-driven kinematic chains and parallel mechanism theory. It inherits the high dynamics and heavy load capacities of the parallel mechanism and significantly improves the workspace, cost and energy efficiency simultaneously. As a result, CDPRs have had irreplaceable roles in industrial and technological fields, such as astronomy, aerospace, logistics, simulators, and rehabilitation. CDPRs follow the cutting-edge trend of rigid–flexible fusion, reflect advanced lightweight design concepts, and have become a frontier topic in robotics research. This paper summarizes the kernel theories and developments of CDPRs, covering configuration design, cable-force distribution, workspace and stiffness, performance evaluation, optimization, and motion control. Kinematic modeling, workspace analysis, and cable-force solution are illustrated. Stiffness and dynamic modeling methods are discussed. To further promote the development, researchers should strengthen the investigation in configuration innovation, rapid calculation of workspace, performance evaluation, stiffness control, and rigid–flexible coupling dynamics. In addition, engineering problems such as cable materials, reliability design, and a unified control framework require attention.