9-3 Stewart型并联机器人的结构设计及奇异位形分析

以一种9-3 Stewart型并联机器人为研究对象,对其进行结构设计及奇异位形分析。通过设计三重复合虎克铰链,减小了运动学求解难度;通过设计可转换主、从运动的变胞移动副,实现了变拓扑驱动;基于环路方程法推导出了并联机器人的速度雅可比矩阵,并运用代数法分析了并联机器人的奇异位形,得到了并联机器人的位置奇异曲面和姿态奇异曲面。研究内容为该并联机器人后续的轨迹规划及工作空间优化奠定了理论基础。     

一种二自由度并联机器人机构灵活度研究

研究一种命名为Diamond的新型二自由度平动并联机器人机构的灵活度指标,对常用的三种性能评价指标雅可比矩阵条件数、最小奇异值和可操作性指标进行推导得到其解析模型,分析它们在机构作业空间内的分布趋势,研究表明该机构具有良好的灵巧性.     

新型并联机器人的奇异位形分析

奇异是并联机器人的固有性质,对机器人的工作性能有着种种影响,因此对于确定的机构,找出它的所有奇异位形具有重要的意义.从运动学角度分析,奇异位形有三类形式,每种形式都具有不同的物理意义.基于以上原因,研究一种新型6自由度3支链并联机器人3-UrPS的奇异位形,其中Ur为复合胡克铰,即2自由度球面并联机构,P为移动副,S为球副.根据机构自身的几何特点,非常方便地得出反解的唯一解析形式.对机构的反解方程进行求导,得出有规律的速度雅可比矩阵,然后通过求解雅可比矩阵的行列式,使奇异位形的解析形式很容易得出.讨论该并联机器人的第1类和第2类奇异位形,并得出3种特殊位置的奇异位形.奇异位形的分析对该并联机器人的轨迹规划和控制具有重要的意义.     

新型6自由度3-UrRS并联机器人的奇异位形分析

研究了一种新型6自由度3支链并联机器人的奇异位形,利用机构的运动学反解方程和雅可比矩阵得出了精确的奇异位形的解析形式。从运动学角度分析,奇异位形有3类形式,每种形式都具有不同的物理意义。研究了该并联机器人的第一类和第二类奇异位形,并画出了4种特殊位置的奇异位形。奇异位形的分析对该并联机器人的轨迹规划和控制具有重要的意义。     

新型-平移一转动并联机构及奇异位形分析

根据并联机器人机构结构综合理论,以单开链支路为单元,改进了一种能实现空间一维移动和一维转动的二自由度并联机构。运用封闭矢量多边形投影法建立了该并联机构的运动学模型,得出了基于Jaco-bian矩阵形式的机构运动学输入输出方程。采用Jacobian代数法对机构的奇异位形进行分析,得出机构可能出现奇异位形的类型和条件。通过ADAMS虚拟样机的模拟和仿真,验证理论分析方法和相关结论的正确性,为将该并联机构用作中医推拿机器人的末端执行器,有效完成多种推拿动作提供重要保障。     

含S副间隙6-SPS机构奇异性分析

采用四元数法描述6—SPS机构位姿矩阵,并把该矩阵和矢量坐标扩展为4维形式,通过推导无间隙机构的运动方程,得到了机构运动的新型雅克比矩阵JA和JB;在此基础上,利用连续接触模型得到了含间隙6—SPS机构的运动系数矩阵J_(AS)和J_(BS)。分别把J_(AS)和J_(BS)的行列式展开,得到含间隙机构第一类奇异和第二类奇异的轨迹方程,利用MATLAB得到了机构在给定位置时的第一类位姿奇异轨迹和第二类位姿奇异三维轨迹曲面。通过把两类含间隙机构奇异轨迹曲面的比较,发现机构间隙对第二类奇异的影响大于对第一类奇异的影响;以无间隙机构奇异轨迹曲面上奇异点作为参考点,通过含间隙机构奇异轨迹曲面上与参考点相对应奇异点的相互比较,发现在参考点附近存在一个关于参考点的奇异域。     

Delta机器人结构参数与期望工作空间之间关系研究

研究了Delta机器人结构参数与其期望工作空间之间的关系。工作空间是机器人性能的重要指标之一。但并联机器人工作空间边界是不规则的凸起,当在边界附近运动时,机器人容易陷入奇异位姿。因此,用规则的期望工作空间取代实际工作空间是一个很好的选择。机器人工作空间的大小直接有机器人的结构参数决定,因此研究机器人结构参数与工作空间之间的关系非常有意义。在归一化空间中绘制了Delta机器人结构参数与内接期望工作空间体积之间的映射关系图,并讨论了它们之间的关系。结果对Delta机器人的机构设计等具有指导意义。     

双SCARA机器人运动学及奇异性分析

提出了一种可用于微小零部件装配作业的新的双SCARA并联机器人,该机器人有三个自由度:两个平动和一个转动。建立了双SCARA并联机器人的运动学正解模型,推导出了可用于奇异位形判别的机构雅可比矩阵。在给定几何参数的前提下,根据机器人雅可比矩阵的行列式数值是否为零对该平面并联机器人进行了奇异性分析,在Mathematica9.0中编制了奇异性分析程序,利用关节变量得到了反映机器人奇异位形的奇异性曲面。研究为该并联机器人的轨迹规划,机构优化以及工作空间优化提供了技术基础。     

一种空间非对称2自由度并联机构设计与应用研究

以一种空间非对称2自由度并联机构为研究对象,通过机构方位特征集理论进行了自由度计算,运用矢量代数法进行正向运动学分析,由雅克比矩阵得到了机构全部奇异位置。基于空间模型理论,综合考虑机构几何尺寸及不同类型输入量取值范围等参数,将上述参数无量纲化处理后作为坐标系,建立了此机构的空间模型。在模型中绘制了此机构奇异曲面,直观分析机构参数与机构奇异性之间的关系,并依据奇异曲面在空间模型中的分布状况,进行机构参数优化,实现减少机构奇异的目的,最后进行了机构工程应用举例。     

一种新型可重构Stewart衍生型并联机器人的奇异位形及工作空间

设计了一种新型可重构Stewart衍生型并联机器人,并对其奇异位形及工作空间进行了分析.基于矢量代数法推导出并联机器人位置反解的全解析表达式,并通过算例验证其正确性;基于直接微分法推导出并联机器人的雅可比矩阵,进一步地,结合Gosselin法分析了该并联机器人的奇异位形;建立了并联机器人结构中球铰链和二重复合虎克铰链的转角约束方程,结合位置反解解析式并运用有限离散法,获得了并联机器人的位置工作空间和姿态工作空间.研究内容为可重构Stewart衍生型并联机器人后续的轨迹规划、机构优化研究奠定了基础.     

冗余度机械臂关节运动和末端运动的同步容错规划

给出了可操作度这一运动灵活性指标新的物理解释,在此基础上进一步分析了退化可操作度这一容错性能指标的物理含义,由此得到了反映容错空间和实际操作度大小的臂长和转角这两种新的容错性能指标;利用它们对平面3R机械臂进行了关节运动和末端运动同步容错规划的仿真研究。研究结果表明,转角指标的最大化有利于避免发生故障时刻的退化机械臂出现奇异位形;而臂长指标有利于避免该退化机械臂在故障发生后的运动中出现奇异位形。     

机器人运动学和动力学的几何表示及其应用

应用现代微分几何的方法，分别将二自由度机器人的轨迹弧长和动能定义为黎曼度量指标。对黎曼曲面上的测地线和黎曼曲率进行了定量分析，利用曲面上的测地线和黎曼曲率的几何性质，提出基于测地线的最优轨迹规划方法和基于黎曼曲率的工作空间优化方法，并以平面2R机器人为例进行了实例计算。     

Manipulability analysis of underwater robotic arms on ROV and application to task-oriented joint configuration

This paper describes the task-oriented manipulability of tele-operated robotic arms mounted on a remotely operated vehicle (ROV) and its application to task-oriented joint configurations. The main purpose of the study is to reduce the tele-operator’s burden in performing underwater tasks by enhancing the functionality of the manipulator. Even though a manipulator has 6 degrees-of-freedom (DOF), which is proper DOF to work in Cartesian workspace, the manipulator might have redundancy according to task types and order of task-priority. This paper focuses on the problem to utilize the redundancy by introducing a scalar function as an object of optimization. The scalar function is composed of a taskoriented manipulability measure (TOMM) and joint limit measure (JLM). Using sequential quadratic programming (SQP) with the object function, we obtained optimal postures of the manipulator for a given position constraint of the end-effecter. Adopting the scalar function as a performance index, we solved a redundancy resolution problem based on the pseudo inverse of the task-oriented Jacobian matrix.     

一种全方位移动机械手的可操作度分析

将机械手可操作度的概念推广到移动机械手，定义了广义可操作度。建立了基于全方位移动平台的移动机械手的广义运动学模型。在广义可操作度概念的基础上，分析了全方位移动平台对机械手奇异位姿、可操作度及方向可操作度的影响，并与受非完整约束的差分移动平台对机械手的相应影响进行了比较。     

基于条件数约束的方向可操作度

现有灵活性指标--方向可操作度在规划过程中往往会出现条件数较大的情况,不利于控制.针对这一问题,提出基于条件数约束的方向可操作度这一新指标,分析该指标的偏导随条件数增大的变化情况.当条件数较小时,指标主要受方向可操作度的影响;条件数不断增大时,方向可操作度对指标的影响逐渐削弱,条件数对指标的影响不断增大.通过优化侧重点的改变,该指标能使优化结果的条件数小于任务要求的最大条件数的同时最大限度地保留方向可操作度.平面3R、BUAA-RR机器人的数值仿真和平面3R机器人的试验研究证明新指标的优越性.此外,将该指标应用于冗余度机器人的容错操作这一特殊领域,它可以使机器人在运动中任何时刻重构的新机械臂在任务方向上具有较高的操作能力,并且能够保证条件数较小,避免奇异情况的发生.     

基于力方向可操作度的双臂机器人轨迹规划

在双臂机器人力可操作度椭球的基础上,定义双臂机器人力方向可操作度,以力方向可操作度为性能指标,给出了双臂协调运动关节轨迹规划,理论及算例仿真分析结果表明本文规划方法的可行性。     

基于彩色图像奇异值熵指标的磨削表面粗糙度视觉测量方法

机器视觉测量表面粗糙度所采用的评价指标大多是根据灰度图像进行统计分析的，而当前研究的一些基于颜色信息的评价指标并未给出合理的数理结构表达。针对此问题，提出了一种基于彩色图像奇异值熵评价磨削表面粗糙度的检测方法。根据色块在不同等级粗糙度表面所形成的虚像能量分布差异，通过纯四元数的数据结构来表征一幅彩色图像，并对其进行数据分析，抽取奇异值熵作为评价指标，论证基于奇异值熵指标评价磨削表面粗糙度的可行性。实验结果表明，彩色图像奇异值熵不仅是一种合理可行的表面粗糙度评价指标，而且该指标在数学意义上具有合理的数据结构表达方式。相关指标的对比分析证明了该指标与表面粗糙度的相关性和适用性相对色差指标更优，回归预测结果也相对较为精准，具备向工程应用领域推广的潜力。     

基于速度方向可操作度的双臂机器人轨迹规划

在双臂机器人速度可操作度椭球的基础上,定义双臂机器人速度方向可操作度,以速度方向可操作度为性能指标,给出了双臂协调运动关节轨迹规划,理论及算例仿真分析结果表明了规划方法的可行性.     

含变自由度力自适应复位组合柔顺副的汽车门锁机构

基于提出的新型变自由度组合柔顺副,构建了具有奇异位置运动确定和力适应复位特征的变自由度柔顺五杆机构。根据不同驱动方式和不同限位边界,该柔顺机构可实现铰链四杆机构、平面五杆机构、曲柄摇块机构和摆动导杆机构4种运动模式及模式间切换。为了单驱动实现电动开启、电动保险,新型柔顺机构构造的电动开启支链通过多运动模式完成汽车门锁的多工况确定运动及复位运动。各工况下柔顺副扭簧中心槽内的漂移量作为机构柔顺适应性指标,可衡量柔顺支链与其他支链的运动兼容性。