基于旋量理论的RRRP机器人正运动学分析研究

对机器人正运动学的分析研究是实现控制和轨迹规划的基础。介绍了旋量理论,基于李群李代数和旋量理论建立了RRRP机器人的运动学模型;根据指数积公式进行了机器人运动学正解分析并建立了运动学方程,对比D-H参数法具有更为明确的几何意义和简洁性;利用ADAMS软件进行了运动学仿真,直观的显示了机器人的运动规律,且运动学正解方程得到的结果与仿真数据之间的误差不超过0.05。结果表明:由旋量理论和指数积公式建立的机器人运动学方程的正确性,以及旋量理论应用于类似刚体系统运动学分析的可行性。     

基于螺旋理论对3-RPS并联机器人运动学分析及仿真

3-RPS型并联机构具有3个结构对称的支链形式,每个支链由一个转动副连接基座,一个球面副与动平台相连接,转动副与球面副由移动副所连接。采用螺旋理论对3-RPS型并联机器人自由度分析,采用反螺旋的方法建立约束雅可比矩阵、运动雅可比矩阵和完整雅可比矩阵,导出了动平台的速度到驱动关节速度之间的映射,从而计算出末端执行器的速度、加速度并进行奇异性分析。基于Matlab SimMechanics软件建立3-RPS型并联机器人仿真模型,进行运动学仿真对比研究,结果表明:动平台的实际输出变化与给定的参考值变化基本相符,验证了该建模方法的正确性。     

基于螺旋理论的2自由度并联机构分析

提出一种的两自由度并联机构,能实现俯仰和横滚运动.运用螺旋理论描述单个分支约束及所有分支约束的合成,并从几何上直接分析约束的线性相关性,判别出机构自由度的性质,同时给出公共约束,冗余约束存在的几何条件和相应的判别计算公式,在此基础上得到2自由度并联机构自由度计算的修正Gr(u)bler-Kutzbach计算公式.     

基于螺旋理论的球面并联机构构型分析

球面并联机构具有结构简单,工作空间大等优点,并广泛应用于医疗、航天、机器人等领域。构型综合是进行机构创新设计的基础,利用螺旋理论的知识对由平面低副构成的三支链球面并联机构进行构型分析,并基于雅克比矩阵得出构成球面并联机构的两个必要条件。并具体给出2R1P型三支链球面并联机构的9种形式,选取其中的3种给出建模实例,通过自由度的计算验证机构构型的可行性,为球面并联机构的应用提供选型基础和球面并联机构的结构创新提供参考。     

Kinematics and Dynamics Hessian Matrices of Manipulators Based on Screw Theory

The complexity of the kinematics and dynamics of a manipulator makes it necessary to simplify the modeling process.However,the traditional representations cannot achieve this because of the absence of coordinate invariance.Therefore,the coordinate invariant method is an important research issue.First,the rigid-body acceleration,the time derivative of the twist,is proved to be a screw,and its physical meaning is explained.Based on the twist and the rigid-body acceleration,the acceleration of the end-effector is expressed as a linear-bilinear form,and the kinematics Hessian matrix of the manipulator(represented by Lie bracket)is deduced.Further,Newton-Euler’s equation is rewritten as a linear-bilinear form,from which the dynamics Hessian matrix of a rigid body is obtained.The formulae and the dynamics Hessian matrix are proved to be coordinate invariant.Referring to the principle of virtual work,the dynamics Hessian matrix of the parallel manipulator is gotten and the detailed dynamic model is derived.An index of dynamical coupling based on dynamics Hessian matrix is presented.In the end,a foldable parallel manipulator is taken as an example to validate the deduced kinematics and dynamics formulae.The screw theory based method can simplify the kinematics and dynamics of a manipulator,also the corresponding dynamics Hessian matrix can be used to evaluate the dynamical coupling of a manipulator.     

基于旋量理论的可重构机器人运动学的研究

研究了可重构机器人的正、逆运动学算法，应用旋量理论和指数积公式法，而非较常用的D—H法建立运动学模型，得出了与机器人构型无关的正运动学算法，并推导得到通用性较好的迭代计算逆解的数值算法，通过基于实例进行Matlab编程的实现，验证了算法的可行性。     

基于螺旋理论的并联机构构型设计

总结了一般并联机构与具有被动链并联机构的结构特点，提出了具有被动链并联机构的基本构造方法，根据螺旋理论分析了并联机构与其支链的自由度关系，提出了并联机构的构型设计与演变的基本法则。     

基于旋量理论的RRRP机器人逆运动学分析研究

对机器人逆运动学的分析研究是实现控制和轨迹规划的基础。介绍了旋量理论和逆运动学指数积公式;基于旋量理论和指数积公式进行了机器人逆运动学子问题的分析;最后,根据机器人的结构特点,建立了RRRP机器人的逆运动学模型,将整体逆运动学问题的求解划归为相应子问题的求解,得到了给定末端工具位姿条件下关节变量的表达式。整个过程显示了旋量理论在逆运动学分析中对比D-H参数法的优越性和简洁性,为类似运动学乃至动力学的分析求解提供了新的思路。     

基于旋量理论的并联柔性机构构型综合与主自由度分析

随着精密工程的发展,柔性机构的应用前景越来越广。现有柔性机构的种类相对较少,因此综合更多的柔性机构,尤其高性能的柔性机构变得至关重要。在旋量理论指导下,提出一种基于自由与约束对偶原理的并联柔性机构的图谱化构型综合方法。该方法简单、直观,物理意义明确。随后对3自由度(2R1T和3R)并联柔性机构进行构型综合,给出一系列综合实例。为寻求高性能的构型,提出一种针对实际柔性约束的主自由度分析方法,来验证所得构型的自由度。最后,对一种2R1T并联柔性机构进行主自由度分析,通过分析给出了结构参数对机构特征柔度的影响。     

具有弹性关节和空间复合变形杆件的机器人的李群李代数分析方法

对李群李代数方法在机器人中的应用做了基本的阐述,澄清了一些基本概念.并在此基础上,应用李群李代数方法对具有弹性关节和杆件机器人的运动学做了深入的分析和探讨,建立了系统的运动学方程,以及整个系统柔度与其各个关节和杆件柔度的关系.     

Kinematics Analysis of Mechanisms Based on Virtual Assembly

Currently,virtual assembly technology has attracted increasing attention due to considerations of solving assembly problems in virtual environment before actual assembly in manufactory.Previous studies on kinematic analysis of mechanism only aim at analyzing motion law of single mechanism,but can not simulate the multi-mechanisms motion process at the same time,let alone simulating the automatic assembly process of products in a whole assembly workshop.In order to simulate the assembly process of products in an assembly workshop and provide effective data for analyzing mechanical performance after finishing assembly simulation in virtual environment,this study investigates the kinematics analysis of mechanisms based on virtual assembly.Firstly,in view of the same function of the kinematic pairs and the assembly constraints on restricting the motion of components(subassembly or part),the method of identifying kinematic pairs automatically based on assembly constraints is presented.The information of kinematic pairs can be obtained through calculating the constraint degree of the assembly constraints.Secondly,the incidence matrix eliminating element method is proposed in order to search the information and establish the models of mechanisms automatically after finishing assembly simulation in virtual environment.Both methods have important significance for reducing the workload of pretreatment and promoting the level of automation of kinematics analysis.Finally,the method of kinematics analysis of mechanisms is presented.Based on Descartes coordinates,three types of kinematics equations are formed.The parameters,like displacement,velocity,and acceleration,can be obtained by solving these equations.All these data are important to analyze mechanical performance.All the methods are implemented and validated in the prototype system virtual assembly process planning(VAPP).The mechanism models are established and simulated in the VAPP system,and the result curves are shown accurately.The proposed kinematics analysis of mechanisms based on virtual assembly provides an effective method for simulating product assembly process automatically and analyzing mechanical performance after finishing assembly simulation.     

ABB1410工业机器人的旋量运动学逆解方法

为了高效可靠实现工业机器人逆运动学求解,针对常见6自由度工业机器人"后3关节轴线相交,关节2、3轴线平行且与关节1轴线异面垂直"的结构特点,以ABB1410机器人为对象,建立旋量运动学模型,将几何关系法与PadenKahan子问题相结合,提出了一种运动学逆解方法。该方法首先利用机器人腕部点和前3关节轴线之间的几何关系求解关节角1,再将后5个关节角的求解转化为3个Panden-Kahan子问题1和1个子问题2,完整地给出了逆运动学封闭解。通过实验验证了该逆解算法的准确性和实用性。     

七自由度双臂机器人旋量理论正向运动学与工作空间分析

机器人关节空间与工作空间的关系是通过正向运动学方程建立的,正向运动学分析是实现轨迹规划和控制的关键。介绍了比D-H参数法计算简单、描述全面的旋量理论法,应用指数积公式分别对七自由度和六自由度双臂机器人的单臂进行运动学分析并建立正向运动学方程。利用ADAMS进行运动仿真,对比发现:仿真结果与通过正向运动学方程求解的数据接近,误差不超过3 mm,验证了结合旋量理论建立的正向运动学方程的正确性;利用MATLAB软件进行工作空间分析,通过工作空间云图对比,得出七自由度双臂机器人有着更大的工作空间,表明拥有肩部关节的七自由度双臂机器人具有更好的运动学性能。     

基于旋量理论的三指机器人灵巧手逆运动学分析

为提高三指机器人灵巧手逆运动学的求解效率,提出了基于旋量理论的逆运动学新的求解算法。以Shadow三指灵巧手为例,在无法直接利用单纯的Paden-Kahan 子问题求解逆运动学的条件下,食指（无名指）的逆解采用Paden-Kahan子问题与代数解相结合的算法,拇指的逆解采用数值法与Paden-Kahan子问题相结合的算法。最后通过计算实例证明了算法的有效性和可行性。该算法在保证精度的前提下,几何意义明显,耗费时间短,效率高。     

Actuation Spaces Synthesis of Lower-Mobility Parallel Mechanisms Based on Screw Theory

The lower-mobility parallel mechanism has been widely used in the engineering field due to its numerous excellent characteristics.However,little work has been devoted to the actuator selection and placement that best satisfy the system's functional requirements during concept design.In this study,a unified approach for synthesizing the actua-tion spaces of both rigid and flexure parallel mechanisms has been presented,and all possible combinations of inputs could be obtained,laying a theoretical foundation for the subsequent optimization of inputs.According to the linear independence of actuation space and constraint space of the lower-mobility parallel mechanism,a general expres-sion of actuation spaces in the format of screw systems is deduced,a unified synthesis process for the lower-mobility parallel mechanism is derived,and the efficiency of the method is validated with two selective examples based on screw theory.This study presents a theoretical framework for the input selection problems of parallel mechanisms,aiming to help designers select and place actuators in a correct and even optimal way after the configuration design.     

基于李群李代数的主被动关节机器人动力学及控制

采用李群李代数符号描述了含主被动关节机器人的动力学分析和控制问题。首先用李群李代数描述了机器人的反向动力学,然后将牛顿-欧拉方法和铰接体惯量方法结合起来,给出了含主被动关节的机器人动力学解决方法。利用动力学方法得到的结果,采用计算力矩控制方法进行仿真,并与PID控制方法的仿真结果进行比较,验证了计算力矩方法的较好的性能特征。     

基于旋量和臂形标志的机器人运动学逆解计算

讨论了用旋量和指数积公式计算PUMA类型6自由度机器人运动学逆解的方法。在子问题的计算过程中，通过引入臂形标志来选取关节变量的合理解，以得到运动学逆解的唯一解。这种方法避免了对无效解的计算，可以减少计算量，提高计算效率。通过一个实验机器人的运动学逆解计算验证了算法的有效性。     

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。     

基于旋量的SCARA机器人动力学分析

应用旋量理论建立了SCARA机器人的运动学模型,并以此为基础建立动力学模型。此方法融合了拉格朗日,牛顿一欧拉法以及旋量的特点,易于求解。简要讨论了动力学与机器人轨迹精度。     

面向多向3D打印的混联机构及其运动分析

为解决多向3D打印装备瓶颈问题,提出一种完全解耦五自由度混联机构作为3D打印的执行机构,该机构由并联模块3-CPaRR和串联模块RRo组成,其中并联模块由3条相同CPaRR支链构成,可实现空间的三维移动,串联模块RRo用于调整打印头姿态,改善3D打印过程中的台阶现象、干涉问题。基于约束螺旋理论,分析了3CPaRR&RRo机构自由度,并通过ADAMS建模对其进行了验证。然后运用D-H法求得混联机构的运动学方程,对机构的位姿正解表达式求导,得到了机构的雅可比矩阵和末端速度方程,分析了机构在工作空间内的奇异性问题,通过对模型运动仿真,绘制出了机构末端输出速度曲线,验证了上述分析的正确性。