新型PRRR+PURU+S球面并联人形机器人踝关节机构静刚度性能分析

提出了一种新型PRRR+PURU+S球面并联人形机器人踝关节机构,对该8次超静定机构进行了静刚度分析。首先基于各构件的弹性变形,利用小变形叠加原理,推导出机构动平台角位移、球心点线位移与各作用力的解析关系式;然后利用该机构静力学分析的结果,即各构件上的力与机构外载荷的关系方程,建立机构外载荷与机构动平台角位移、球心点线位移的解析关系,进而得到机构的静刚度矩阵;最后采用正交变换方法,得到机构的6个主刚度及其所在方向。研究结果表明,与UP+R踝关节机构相比,新型踝关节机构的角位移刚度、线位移刚度均有增大,其中线位移刚度大幅增大,基本实现刚度均衡。     

3-RRS球面并联机构的静刚度分析

3-RRS机构是三自由度球面并联机构3-RRR的新构型之一,可作为人形机器人仿生肩关节的原型机构,因各支链的构件为球面上的曲杆,其刚度计算十分复杂.采用(杆件)变形法与小变形叠加原理,推得机构动平台的角位移、球心点线位移;利用机构静力学计算的结果,即各支链两构件上的力与动平台上外载荷的关系,建立了机构动平台上(球心点的)的位移与外载荷关系,进而求得机构的整体柔度、刚度矩阵;采用正交变换使刚度矩阵对角化,得到机构的6个主刚度指标及其所在的方向.研究结果为该机构的工程设计和应用提供了理论基础.     

3-RRS球面并联机构的静刚度分析

3-RRS机构是三自由度球面并联机构3-RRR的新构型之一,可作为人形机器人仿生肩关节的原型机构,因各支链的构件为球面上的曲杆,其刚度计算十分复杂。采用（杆件）变形法与小变形叠加原理,推得机构动平台的角位移、球心点线位移;利用机构静力学计算的结果,即各支链两构件上的力与动平台上外载荷的关系,建立了机构动平台上（球心点的）的位移与外载荷关系,进而求得机构的整体柔度、刚度矩阵;采用正交变换使刚度矩阵对角化,得到机构的6个主刚度指标及其所在的方向。研究结果为该机构的工程设计和应用提供了理论基础。     

4-RRS冗余球面并联机构的静力学与刚度分析

为提升球面并联机构的承载能力,提出一种4-RRS冗余球面并联机构。给出4-RRS冗余球面并联机构的构型设计。然后,建立机构的静力学模型。在锁定驱动关节的情况下,通过互易积运算求解支链作用于动平台上的反螺旋力系。基于建立的静力学模型,得出了各个关节的受力情况和各条支链的变形情况。以实例求解了冗余和非冗余情况下,支链关节受到的最大力和力矩。冗余时支链关节受到的最大力和力矩小于非冗余的情况。对机构进行刚度分析。构造机构的柔度矩阵,得出动平台中心点在受力时的广义位移。以实例对比冗余与非冗余机构的刚度与受力性能,得出了冗余时动平台的广义位移小于非冗余的情况。     

3自由度球面并联机构3-RRR静力全解

采用传统的拆杆法建立机构的静力学平衡方程,考虑构件弹性,利用小变形叠加原理建立机构的变形协调补充方程,进而完成3自由度球面并联机构的静力学分析.求得包括机构输入与输出载荷关系的每个构件上的全部力、力矩.通过计算,得到在三种外载荷下构件上的全部(各)力、输入转矩与机构运动位姿的关系图.结果表明,当作用在机构的外力(仅)F通过球心时,机构的输入力矩恒等于零,而构件上的力在全空间内随着机构位姿的变化比较平缓,机构等价一般结构架体而与机构的特性无关.仅在外力矩M作用下,机构的输入力矩、构件上的作用力随着机构位姿的变化与机构的特性相关(与雅可比矩阵的奇异性一致),力与力矩在构件上所产生的两部分力是独立的,并可以分离.研究为该机构在工程中的结构设计与应用提供静力学理论基础和依据.     

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。     

2-RRR+RRS球面并联机构超静定力学全解

针对2-RRR+RRS球面并联机构,利用拆杆法建立其4次超静定的静力学平衡方程;考虑构件弹性,利用小变形叠加原理,建立机构的4个变形协调方程。基于所建方程,利用MAPLE软件分析求得在不同输入力和力矩情况下,机构构件所受力与机构位姿关系曲线图,明晰了不同外力或外力矩输入情况下对机构影响的差异。研究结果为该机构的工程设计及实际应用提供了静力学理论基础和依据。     

二自由度球面并联机构UP+R静力学分析

采用拆杆法建立了机构的静力学平衡方程,考虑构件弹性,利用小变形叠加原理建立了机构的变形协调补充方程,进而完成了二自由度球面并联机构UP+R的静力学分析。通过计算,得到在三种载荷下构件上各力、输入转矩与机构位姿的关系图。结果表明,仅在外力作用下,机构的输入力矩恒等于零,构件上的力随机构位姿的变化比较平缓,仅在外力矩作用下,机构的输入力矩、构件上的力随着机构位姿的变化与机构的特性相关。力与力矩在构件上所产生的两部分力是独立的,并可以分离。研究结果为该机构在工程中的结构设计与应用提供了静力学理论基础和依据。     

面向踝部康复的广义球面并联机构型综合

针对现有踝关节康复机器人难以充分拟合踝关节复杂运动，人机相容性较差的问题，提出一系列与踝关节实际骨结构匹配程度更高的串联等效拟合模型。为满足踝关节串联等效拟合模型对康复机器人机构本体的功能需求，给出一种具有串联等效拟合模型的广义球面并联机构型综合方法。首先枚举出广义球面机构的基本构件及运动副，并依此构造出广义球面支链。继而基于螺旋理论分析单支链以及多支链组合对动平台的约束性能，给出支链的组合条件与原则，阐明不同支链在机构中作用的异同，并依此归纳出位置支链和姿态支链两类广义球面基本支链。最后基于基本支链的约束特性，根据支链组合条件，综合出一系列适用于踝关节康复机器人本体研究的广义球面并联机构，并通过螺旋理论证明其与踝关节串联等效拟合模型的自由度数及性质具有一致性，为此类康复机器人本体设计提供理论依据。     

球面2-DOF冗余驱动并联机器人静力学全解

以球面2-DOF冗余驱动并联机器人为研究对象,在考虑构件弹性的情况下,采用传统的拆杆法建立机构的静力学平衡方程,利用积分法求出各杆件变形,再运用小变形叠加原理建立机构的变形补充协调方程,共得到42个方程,但该机构为冗余机构,共有43个未知数,为此采用输入力优化方法,得到该机构静力学全解。通过数值算例,绘制输出轴在外载荷作用下沿给定轨迹的受力图。研究为该机构在工程中的结构设计与应用提供了静力学理论基础。     

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。     

新型PURU+RR+S球面并联人形机器人踝关节机构动力学性能分析

提出了一种新型PURU+RR+S球面并联人形机器人踝关节机构,根据机构的几何约束关系和速度合成定理,建立包括各个构件位姿、速度的机构运动学模型。在此基础上,考虑各构件惯性力的影响,基于虚功原理和拉格朗日方程,建立了机构动力学模型。通过实验测量,得到一组人体踝关节的运动学数据,利用傅里叶公式进行拟合,得到人体踝关节的位姿函数。将此位姿函数分别作为理论模型、踝关节虚拟样机的输出,得到踝关节机构输入的数值解、仿真数据,验证了运动学和动力学模型的正确性。研究结果为该人形机器人踝关节机构在工程中的结构设计与应用提供了动力学理论基础和依据。     

基于并联机构的六分量并联天平及其力雅可比矩阵研究

为了由感测力导出被测模型受力 ,必须研究基于Stewart平台六维力传感器的力变换关系。本文将并联机构引入风洞天平 ,提出了并联天平的概念 ,应用并联机构学理论 ,对并联天平实现的关键理论问题即天平感测力与被测模型上所受的六维力的转化关系进行了研究 ,得到了二者转化的力雅可比矩阵 ,同时推导出基于 5个基本结构参数的雅可比矩阵条件数 ,并用数值算例加以验证。为该类天平的优化和设计奠定了理论基础     

Posture optimization for a humanoid robot using a simple genetic algorithm

This study proposes a method of real-time posture optimization of humanoid robots using a genetic algorithm and neural network. Here, the motion of a humanoid robot pushing an object is considered. When the robot starts pushing the object, the palms of its hands and the soles of its feet are assumed to be fixed on the object and on the ground, respectively, and they sense the reaction force from those surfaces. The reaction force results in changes of torques in the joints. This study determines an optimized posture using a genetic algorithm such that either the torques are evenly distributed over all joints or the torque of the weakest joint is rapidly reduced. Several different optimized postures are then generated by varying the reaction forces at the palms and the soles. The data is used as training patterns for a multilayer perceptron neural network with a back-propagation learning algorithm. Using the trained neural network, the humanoid robot can find the optimal posture for different reaction forces in real time. Several simulations were conducted to confirm the effectiveness of the proposed method. The simulation results showed that the proposed method can be used for real-time posture optimization of humanoid robots.     

FORCE OPTIMIZATION OF GRASPING BY ROBOTIC HANDS

It is important for robotic hands to obtain optimal grasping performance in the meanwhile balancing external forces and maintaining grasp stability. The problem offeree optimization of grasping is solved in the space of joint torques. A measure of grasping performance is presented to protect joint actuators from working in heavy payloads. The joint torques are calculated for the optimal performance under the frictional constraints and the physical limits of motor outputs. By formulating the grasping forces into the explicit function of joint torques, the frictional constraints imposed on the grasping forces are transformed into the constraints on joint torques. Without further simplification, the nonlinear frictional constraints can be simply handled in the process of optimization. Two numerical examples demonstrate the simplicity and effectiveness of the approach.     

An optimal fuzzy-PI force/motion controller to increase industrial robot autonomy

This paper presents a method for robot self-recognition and self-adaptation through the analysis of the contact between the robot end effector and its surrounding environment. Often, in off-line robot programming, the idealized robotic environment (the virtual one) does not reflect accurately the real one. In this situation, we are in the presence of a partially unknown environment (PUE). Thus, robotic systems must have some degree of autonomy to overcome this situation, especially when contact exists. The proposed force/motion control system has an external control loop based on forces and torques exerted on the robot end effector and an internal control loop based on robot motion. The external control loop is tested with an optimal proportional integrative (PI) and a fuzzy-PI controller. The system performance is validated with real-world experiments involving contact in PUEs.