球面并联式人形机器人髋关节机构运动学与仿生设计

从结构和功能仿生角度出发,提出球面并联式人形机器人髋关节机构,并针对其开展运动学分析与仿生设计。根据人体髋关节结构和运动特性,选取3-SPS/S(S为球面副,P为移动副)球面并联机构作为髋关节仿生原始构型;依据螺旋理论对髋关节原型机构自由度数目、性质及位置反解进行分析;采用遗传算法,以姿态工作空间最大化为目标对并联髋关节机构进行优化;结合人体髋关节实际结构特点,提出偏置输出方式,从而使得机构实际输出空间的形状和位置更加符合人体髋关节运动轨迹需求。研究内容为人形机器人髋关节仿生的理论研究和进一步的样机研制奠定了基础。     

基于偏置输出3-RRR+(S-P)球面并联机构的仿生髋关节

首先以偏置输出的3-RRR+(S-P)仿生关节机构为原型机构,依据仿生原则并参照人体股骨结构,确定关节机构的偏置角。然后,提出关节机构工作空间与人体髋关节运动空间相协调的设计原则,进而确定关节机构的安装定位角度,完成人形机器人髋关节设计;建立仿生关节空间与机构空间的映射关系,并对该髋关节的运动学正反解进行求解。最后,通过数值计算证明关节机构可实现人体基本运动,同时使用Xsens Technologies公司的可穿戴式完全无线3D身体惯性跟踪仪及磁性运动跟踪器,采集人体髋关节在实际运动状态下的位姿信息,将获取信息经映射关系转换和反解变换,导入ADAMS模型中进行校验,进一步验证了建立的映射关系、安装定位角度及正反解的正确性。     

新型过约束球面并联式关节机构仿生设计

以3-RRR三自由度球面并联机构为原型,在其静力学及刚度特性分析基础之上,从仿生学角度出发,采用植入中心球面副的方式,提出了两种改进的可应用于人形机器人肩关节、髋关节的过约束四支链仿生关节机构,并实现了静力全部或部分卸载及刚度均衡。对引入的机构中心球面副进行结构改进,大幅扩大了机构实际工作空间。新型仿生关节机构的提出及其结构设计对人形机器人关节的研制具有理论指导意义和实际应用价值。     

3-RRP球面并联机构的运动学分析

对具有三条RRP分支运动链的3-RRP球面三自由度并联机构进行了逆运动学分析。该结构比较简单,可应用于工业机器人、并联机床、位姿调整器和少自由度微型模拟器等领域。提出运用Rodriguez参数对并联机构末端运动进行更简单、快速描述的新思路,建立了3-RRP并联机构的位置逆解模型和雅可比矩阵,并由笛卡尔坐标的离散化对机构的工作空间进行了分析。研究结果为进一步研究此种并联机构的刚度分析、动态性能、机构优化设计和系统控制等都有非常重要的意义。     

新型大工作空间仿生被动球面铰链构型及工作空间分析

被动球面铰链是构成机构的基本单元之一,但是,较小的工作空间制约了其在机械结构设计中的应用。以普通被动球面铰链为原型,在对其结构及工作空间进行分析的基础上,采用运动与约束单项分解、交叉匹配的方法,提出并设计完成了具有较大工作空间的双耳支架固定型被动球面铰链和球/窝换位型被动球面铰链;基于仿生设计理论,对照人体肱骨结构,提出偏置输出的设计新思想,进而,设计完成具有大工作空间的偏置输出的横向剖分球窝型被动球面铰链和偏置输出的球/窝换位型被动球面铰链;建立两空间映射的函数方程。分析发现,随着铰链输出杆偏置角的增大,铰链的工作空间随之增大,并且形状发生相应变化。所提出的新型铰链,解决了被动球面铰链因工作空间小而在工程应用中受到限制的问题,对新型被动球面铰链的研制具有理论指导意义和工程实践价值。     

基于球面并联机构的检测平台设计与性能研究

为提高光电产品自动视觉检测的准确性,研制了一种含冗余驱动支链的4SPS/S球面并联调姿平台样机。含冗余驱动支链的4SPS/S并联机构为调姿平台机构本体,具有绕动平台中心点的3个转动自由度,可以实现待检零件任意角度图像信息的获取。建立了该并联机构的运动学模型,导出了机构位置逆解方程和雅可比矩阵;基于雅可比矩阵的秩讨论了机构的奇异性,并验证了冗余驱动支链能消除机构内部奇异;基于雅可比矩阵的非冗余分解,提出了一种评价冗余驱动并联机构力传递性能的指标。分析机构动定平台球铰安装方式对机构运动学性能的影响,得到了机构姿态空间体积大、灵巧度好的动定平台球铰安装方式;设计制作了球面并联检测平台样机,分析并绘制了样机姿态空间以及灵巧度、力传递性能在姿态空间内的分布。结果表明,样机转动空间大,无内部奇异,灵巧度和力传递性能高且分布均匀,能满足光电产品瑕疵检测的工艺要求。     

3-SPS/S球面并联髋关节机构奇异位形与静力卸载分析

结合人体髋关节的实际结构与功能特性,选取3-SPS/S(S为球面副,P为移动副)球面并联机构作为仿生髋关节原型机构,求取机构运动学反解,建立奇异轨迹方程,绘制奇异轨迹曲线;运用矢量法建立机构各构件的静力平衡方程,通过数值算例绘制机构各支链受力随位姿变化曲线,分析中心支链卸载效果;借助Adams软件对机构进行仿真,以获取在预定运动轨迹下机构各分支铰链所受力随时间的变化曲线,从而进一步验证机构静力卸载功能。研究内容对人形机器人髋关节样机的研制与控制具有一定的理论指导意义。     

一种球面冗余并联机器人机构设计的基础研究

提出了一种基于球面机构的二自由度驱动冗余并联机器人。建立了该球面并联机器人机构的约束方程，进行了运动学分析；建立了该球面并联机器人的设计空间，探讨了其机构的工作空间面积性能指标与杆件尺寸之间的关系，并绘制了相应的性能图谱。这些图谱是该并联机器人机构设计的重要参考依据。     

球面并联机构实一切

紧密结构基于球面并联机构的数控回转台的开发,以“PMAC＋PC”为硬件平台,开发了球面并联机构实时控制系统。根据并联机构虚实映射的特点,提出在2次（粗、精）插补策略的基础上,采用“双缓存原理”设计开发其实时操作系统。该方法具有一定的通用性。对各类并联机床数控系统的开发具有指导意义。     

三自由度正交球面并联机构姿态正解

结合国家“863”高技术发展项目，以开发基于球面并联机构的数控回转台为目标，建立了高效的运动学正解模型，并给出显式解析表达，为数控系统的开发提供理论依据。     

基于三分支非均匀分布球面并联机构的腰关节设计

通过分析球面三转动副并联机构中三个分支的布局对工作空间大小的影响，把一般球面并联机构的三个分支由均匀分布改为非均匀分布，提出了基于三分支非均匀分布球面并联机构的拟人腰关节，选取了一组合理的几何参数，给出了完整的设计方案。该拟人腰关节前弯后弯角度大，基本能满足人体腰关节对工作空间的要求。     

用于肩关节康复训练的单输入三转动输出并联机构及其运动学设计

根据人体肩关节的运动生理特点和康复机理,将三转动并联机构运用于人体球窝肩关节的康复训练,设计了一种单输入三转动输出并联式肩关节康复训练机构;通过分析该机构的拓扑结构特性,计算出了该机构的耦合度为零,因此,可以直接推导出其位置正逆解析解,而无需复杂的代数消元推导计算;在ADAMS环境下进行了运动仿真,仿真结果证实了设计的可行性;应用UGNX软件设计了该肩关节的康复训练虚拟样机,为实体样机的设计与研制提供了参考。     

纯转动型3-UPU并联机构工作空间分析

详细讨论了纯转动型3-UPU并联机构的工作空间。文中首先分析了3-UPU并联机构的纯转动运动的条件;然后用动平台的法向量、绕该向量转动的角度和连杆长度来直观地定义并联机构的工作空间,并分析了该定义该机构运动的几何和非几何约束条件,最后提出了纯转动3-UPU并联机构的工作空间搜寻算法,并利用M app le软件验证了该算法的有效性。本文研究的内容对3-UPU并联机构的可行性和优化设计有一定的作用。     

基于3-RRP并联机构的腕关节设计与分析

针对球面3-RRP并联机构的理论分析不足以致运动学与动力学特性不明确的问题,设计了该构型的具体结构,分析了其运动学传递约束与驱动力矩特性。根据关于位置反解的Panda-Kahan理论,明确了灵活姿态空间与可达姿态空间的分布情况。基于旋量互易积,建立了关节的运动传递与约束能效系数。在此基础上,应用多参数平面模型技术,进一步揭示了参数尺度、姿态空间、性能指标之间的耦合关系,从而确定了参数取值,明晰了优质姿态空间范围和性能指标分布趋势。并基于虚功原理,建立了动力学模型,定性分析了驱动力矩特性。研究结果表明：该腕关节机构兼具机构紧凑、姿态空间大、完全的运动约束性能与优秀的运动传递性能、大负载重量比的特点,符合人体腕关节功能特性。     

考虑球面副间隙的4-SPS/CU并联机构动力学分析

基于机械系统动力学方程的增广法建立考虑球面副间隙的4-SPS/CU并联机构动力学模型。为了简化该并联机构的动力学模型,通过质量矩的方法视驱动支链为一个整体。根据含间隙球面副元素的接触方式建立该间隙运动副的运动学模型,求出含间隙球面副元素之间的接触变形量与相对接触速度。考虑到接触体之间接触刚度与机械系统动力学模型之间的耦合性,以非线性刚度系数代替Flores接触模型中的常数刚度系数而提出一种改进的接触力模型,并基于该接触力模型利用接触变形量与相对法向接触速度建立间隙运动副元素之间的法向接触力模型,为了保证数值运算的稳定性,采用具有动态修正系数的Coulomb摩擦模型,建立接触体之间的切向接触力模型。进一步把间隙运动副元素之间的接触力转换到该间隙运动副所连接的驱动支链和上平台的质心上,并把该接触力集成到4-SPS/CU并联机构动力学模型的广义力中,从而成功引入了关节间隙效应,采用Baumgarte稳定约束法避免了积分过程中的约束违约问题。通过数值分析预测球面副间隙对4-SPS/CU并联机构动力学性能的影响。     

3-RRR+(S-P)人形机器人仿生肩关节主参数设计及其工作空间分析

通过实验测量得到人体肩关节的运动空间。依据结构仿生原则,对比人体肱骨结构参数,将3-RRR+(S-P)人形机器人仿生肩关节的输出偏置角定为45°,并通过坐标变换得到其安全工作空间。依据空间一致性原则,对比人体肩关节的运动空间,确定仿生肩关节定平台在“人体”中的安装位姿角,使仿生肩关节相对于“人体”的安全工作空间与人体肩关节运动空间的中心位置（对称轴线）重合,从而设计完成3-RRR+(S-P)人形机器人仿生肩关节。最后,建立3-RRR+(S-P)人形机器人仿生肩关节与人体肩关节的空间映射关系。