线驱动连续型机械臂设计与运动学仿真

面向复杂空间环境的需求,设计了一种新型线驱动连续型机械臂。基于几何分析方法提出了一种简单的线驱动连续型机械臂建模方法,分析了单级柔性关节的关节空间、驱动空间和操作空间之间的运动学映射关系,给出了三级柔性关节的解耦运动学算法,利用改进的蒙特卡洛法描述其工作空间,并用Matlab对机械臂进行运动学仿真,通过对原理样机的实验研究验证了运动学算法的正确性,同时展示了机械臂良好的弯曲能力。     

液压驱动连续型机械臂原理与设计

连续型机械臂具有运动灵活、可适应多障碍环境、柔性关节等特点,能在有限、狭小、危险空间内作业,在复杂设备维护方面将会有极大的应用价值。当前连续性机械臂主要采用电机驱动,其末端承载能力有限,一般小于5 kg。设计一种采用液压驱动的连续型机械臂,关节间采用金属材料,并使用万向节连接。分析了其运动学模型,并搭建了实验系统验证模型正确性。     

用于微创外科的线驱动连续型手术机器人设计与仿真研究

针对传统手术器械定位精度低,且难以进入人体自然腔道或微创切口的问题,设计了一种用于微创外科的线驱动连续型手术机器人系统。首先,介绍了该系统的各个部分模型,包括UR串联机械臂、Stewart并联平台、连续型末端执行器以及触觉式力反馈手柄;然后,对系统中的UR机械臂和连续型末端执行器进行了运动学分析,将分析的结果导入Matlab进行了仿真,得到了不同角度的UR机械臂操作空间位姿以及不同驱动线变化量的连续型末端执行器操作空间位姿;最后,利用蒙特卡罗法对连续型末端执行器的工作空间进行了仿真分析。研究结果表明:UR机械臂可以扩展系统的工作空间,连续型末端执行器可以灵活地进入狭小非线性手术环境,整个系统能帮助医生进行手术操作,提高医疗精度。     

三关节机械臂运动精度的误差分析及补偿策略

针对机械臂重复运动精度差的特点,对导致机械臂运动误差的主要影响因素进行分析。基于D-H坐标系的相关理论建立位置误差模型,对机械臂关节之间的位置误差进行分析。根据D-H参数位置误差,提出误差补偿方案,提高机械臂的运动精度。采用ADAMS软件建立三关节机械臂的动力学模型,通过对各关节的运动特性的分析,讨论在不同外界条件下各关节驱动器的力矩曲线和各关节运动关系曲线的变化,为更深入研究机械臂运动学和动力学问题,以及串联关节机械臂的本体和控制器设计提供了理论依据。     

基于PSD的柔性机械臂末端振动特性测试与分析

针对含谐波减速器柔性空间机械臂的臂杆刚度以及关节转速对机械臂末端振动的影响,利用位置敏感探测器(position sensitive detector,简称PSD)对机械臂的振动特性进行了测试分析。通过改变臂杆刚度和关节转速中单一因素,分别测量了机械臂在不同臂杆刚度和不同关节转速下的末端振动响应。研究结果表明,随着臂杆拉力和机械臂关节转速的增大,机械臂末端的振动幅度呈现上升趋势,且机械臂关节转速的改变对机械臂末端振动的影响大于臂杆刚度所造成的振动影响。     

空间4R冗余度机械臂容错空间分析

针对空间4R冗余度机械臂活动关节工作空间进行了定量研究,并且对其容错空间做了进一步探讨。首先推导出空间4R冗余度机械臂不同关节锁定时工作空间的解析表达式,并且根据表达式对工作空间进行了三维造型;然后,进一步分析了机械臂的D-H参数对工作空间的影响;最后,给出3 sigm a型机械臂容错空间的计算方法及三维造型,分析了其容错空间的影响因素。研究结果表明:当机械臂结构参数一定时,一个活动关节(关节2)在一定范围内锁定,工作空间不变,并且此锁定范围与结构参数一一对应;机械臂的臂长之和一定时,各机械臂长度越接近,机械臂的工作空间越大;机械臂关节2偏置的存在使机械臂工作空间不会出现薄壳,另一活动活动关节(关节3)的偏置的存在也可以增大工作空间;关节工作空间增大,容错空间也会相应增大。     

柔性欠驱动机械臂动力学耦合分析

为建立柔性3R欠驱动机械臂的动力学方程,采用Euler-Bernoulli梁模型并添加经迭代计算的边界条件,对柔性机械臂进行了动力学耦合与仿真分析。在对柔性机械臂进行模态分析的基础上,将柔性机械臂视为包含边界条件的悬臂梁和简支-自由梁模型,采用假设模态法建立柔性3R欠驱动机械臂的动力学模型。仿真结果证明：添加经迭代计算的边界条件的柔性梁模型能更好地反映自由关节的加速度耦合情况。最后对柔性欠驱动机械臂与刚性欠驱动机械臂进行关节耦合指标分析,结果表明柔性欠驱动机械臂的自由关节包含更复杂的耦合情况,对柔性机械臂弹性振动的控制是对柔性欠驱动机械臂控制的关键。     

基于多项式插值的五自由度机械臂轨迹规划方法研究

根据机械臂的特殊结构,利用几何法进行机械臂的逆运动学求解。分析了机械臂末端抓手线速度、线加速度和关节角角速度、加速度的关系,对雅各比矩阵的奇异性进行了分析。分别利用三次插值和五次插值的方法对机械臂点位作业和连续路径作业进行关节空问轨迹规划。仿真结果表明插值算法实现了机械臂的轨迹规划要求。     

机械臂动力学分析及关节非线性摩擦模型建立

现有研究大多采用分段线性组合而成的拟非线性摩擦模型来描述机械臂各关节摩擦力矩大小及其分布,忽略了低速区关节摩擦的实际非线性变化,而该非线性变化恰恰是影响机械臂轨迹精度及稳定性的关键因素之一。基于此,着重研究机械臂关节非线性摩擦模型及其对机械臂末端轨迹的影响。对多关节机械臂进行几何机构建模,对任意设定的机械臂理想运动轨迹,通过机构运动学分析得到各关节的角位移、角速度和角加速度。考虑非线性摩擦,建立高可靠性的关节非线性摩擦的一般模型。对给定的理想运动轨迹下的角位移、角速度和角加速度进行Newton-Euler反向动力学分析,从而得到各关节的非线性驱动力矩。基于一般非线性摩擦模型,将得到的驱动力矩代入正向动力学模型中得到机械臂末端实际的运动轨迹。通过上述分析步骤,深入研究各关节在不同类型驱动力矩组合条件下对机械臂末端运动轨迹、及各关节角位移的影响。研究结果表明机械臂各关节的不同摩擦形式对末端运行轨迹影响显著,各关节驱动力矩的变化对其相邻关节的角位移也有明显影响。     

一种面向航天需求的仿生柔性机械臂的设计

针对航天器舱内环境的障避实际需求,基于自然界象鼻的内部肌肉结构分布特点,设计一种多冗余自由度仿生柔性机械臂。该机械臂由8个柔性关节组成,每个柔性关节具有3个自由度,相比传统机械臂,具有结构紧凑、刚度较高、运动灵活、操作空间广泛等特点。针对所提出的单个柔性关节与多个关节组成的仿生柔性机械臂进行运动学建模分析。利用制作的仿生柔性机械臂,进行航天避障任务试验,验证了该机械臂结构的可行性。