3-P_CSS/S球面并联肩关节机构优化与仿生设计

以实现人体肩关节结构和功能仿生为目标,提出以3-PCSS/S(PC表示具有环形导轨的移动副,S为球面副)球面并联机构为仿生肩关节的原型机构,并针对其开展机构优化与仿生设计。将具有环形导轨的移动副PC等价为转动副,进行机构的位置反解并求解其运动雅可比。应用遗传算法,依据所确定的姿态工作空间约束条件,以机构姿态工作空间的点数为优化目标,对机构尺寸参数进行全局优化;提出偏置设计以扩大机构输出转角范围,提高肩关节的灵活度。研究工作对人形机器人肩关节实体仿生设计及其研制具有理论指导意义和工程应用价值。     

基于球面并联机构的换档机械手换档力分析

对基于二自由度非对称直线内副驱动的球面并联机构的换档机械手进行了静力学分析。在建立机构输出力与驱动力之间的映射关系模型的基础上,通过仿真计算得出驱动杆在各档位之间变换时驱动力的变化曲线,分析最大驱动力和外部载荷之间的关系,为实际操作中换档力的控制提供理论方法。     

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。     

面向控制的3-RRR球面并联机构正运动学实时解法

以经典牛顿法为基础 ,针对 3 - RRR球面并联机构的机构学特点及控制中的特殊要求 ,提出了面向控制的高效迭代算法。利用机构运动连续性条件划分不同的控制阶段 ,当机构处于连续运动状态时 ,迭代结构中使用固定雅可比矩阵进行运算 ,缩短了单步迭代时间 ;当机构处于非连续运动状态时 ,使用变步长策略 ,引入调整量系数 ,抑制了大偏置初值带来的求解振荡。给出的算例证明 ,应用上述策略的正运动学求解算法兼顾了较大范围的收敛性与局部求解的快速性 ,运算速度满足控制过程的实时性要求。该方法同样适用于其它少自由度并联机构的正运动学求解。     

新型基于6—PSS三维平台机构的并联微动机器人

提出一种新颖的基于6－PSS并联三维平台机的微动机器人并介绍其结构布局特点,应用Jacobian矩阵和力Jacobian矩阵的子阵,分别对其线速度与角速度和力与力矩的各项同性进行了分析计算,并建立显式的微位移正解和反解方程,为其设计和使用提供理论依据。分析计算结果表明,该微动机器人算法与控制简单,微位移解耦和速度与力向向同性,具有最佳的运动和力传递性能。     

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。     

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。     

基于球面五杆机构的变胞并联机构构型综合

提出一类基于球面五杆机构的变胞并联机构。基于具有解耦特性的球面五杆机构,应用螺旋理论综合出一类具有变胞特性的可重构混联支链,该混联支链由一个球面五杆机构和一个四自由度串联支链混联而成,应用三条相同的所述可重构混联支链构型出一类变胞并联机构。不同于现有利用约束奇异和支链奇异综合可重构并联机构的方法,提出利用球面五杆机构的解耦特性和关节锁死的方法来实现并联机构的可重构,因此该类变胞并联机构可有效避免重构过程中的约束奇异以及支链奇异。该类变胞并联机构可在一个广泛的范围内变换其工作模式和自由度,且伺服电动机均可安装在机构的固定平台。提到的方法可应用于其他基于解耦闭链的变胞并联机构构型综合。     

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。     

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。     

面向踝关节康复的四自由度广义球面并联机构运动学性能

针对现有踝关节康复机器人运动特性与人体踝关节实际运动特性存在明显差异,导致人机相容性不理想的问题,基于高匹配度的U1U2型踝关节运动拟合模型,提出一种适用于踝关节康复且结构紧凑的四自由度广义球面并联机构.基于螺旋理论分析其运动及约束特性,论证其与踝关节运动拟合模型运动的一致性;分别建立机构的位置及姿态运动学模型,证明了...     

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。     

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。     

球面3-RRR并联机构动力学建模与鲁棒-自适应迭代学习控制

采用Lagrange方法建立球面3-RRR并联机构基于动平台姿态参数的动力学模型。考虑在计算过程中采用线密度、厚度忽略等近似计算及工作过程中机构的磨损等微小变化造成的参数不确定性,进一步建立带参数不确定性的动力学模型。针对其在振动测试中的重复性动作等特点及参数不确定性设计鲁棒-自适应迭代学习控制器,并对此控制器进行稳定性证明。该控制器利用自适应算法对未知定常数的强大学习能力来补偿系统动力学模型的参数不确定项;利用迭代学习算法对期望轨迹进行零误差重复跟踪。由于该控制器吸取了系统动力学模型的已知信息,避免了一般模型未知系统迭代控制时必须满足的Lipschitz约束条件。仿真结果表明,在此控制器的作用下球面3-RRR并联机构能够很好地重复跟踪期望轨迹。     

一种全局各向同性的三自由度转动并联机构

介绍了一种新颖的全局各向同性的三自由度转动并联机构的综合过程。该机构仅由转动副组成,可以实现三个独立解耦的转动自由度。以雅可比矩阵行向量的物理含义为基础,根据各向同性机构的数学定义,得到全局各向同性并联机构的充分必要条件,并以此为基础得到了全局各向同性的三自由度转动并联机构。最后,针对机构约束冗余的不足,进一步提出了避免过约束的改进机型。     

3-RRR 3自由度球面并联机构静刚度分析

3自由度球面并联机构是重要的少自由度机构之一,各支链的构件为球面上的弧杆,其刚度计算十分复杂.基于此,采用计算杆件变形的方法,利用小变形叠加原理,推得机构动平台的角位移、球心点线位移与各支链两构件上力的关系.利用机构静力学分析的结果,即支链两构件上的力与动平台上的外力关系,建立机构动平台、球心点位移与外力的关系.进而得到机构的整体柔度、刚度矩阵.采用正交变换方法,得到机构的6个主刚度指标,最大、最小刚度及所在的方向.研究结果表明,机构的主刚度及主方向随着机构运动位姿的变化而变化,远离零点逐渐增大,其中3个主刚度(即扭转刚度)较大,另3个主刚度(线位移刚度)较小,两者差距巨大.研究成果为该机构的工程设计和应用提供了理论基础.     

气动人工肌肉驱动三自由度球面并联机器人关节的位置控制研究

将气动人工肌肉驱动器应用于柔索驱动三自由度球面并联机器人关节，介绍了该机器人关节的运动学模型，提出了一种简便的轨迹规划方法，建立了关节的实验测控系统，应用智能PID算法控制气动人工肌肉的位置从而实现对关节末端的位置控制，在现有的实验条件下，取得了比较满意的控制结果。     

采用过约束冗余驱动提高球面并联机构精度容错能力的研究

将误差源对球面并联机构运动精度的不利影响看作一种机械系统故障,提出了球面并联机构精度容错的概念和基本思想,定义了描述球面并联机构精度容错能力的指标———精度容错度。基于螺旋理论,利用球面3-RRR并联机构的过约束性设计了具有冗余驱动的球面m-RRR(m≥4)型改进机构。通过求解原机构和改进机构的精度容错度,比较了它们的精度容错能力,并结合实例进行了仿真研究,结果表明所提出的以精度容错度为依据的精度容错策略能有效提高球面并联机构的精度,克服误差源的不良影响。     

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。     

6-PSS并联机器人动力学模型的牛顿-欧拉方法

给出了动平台的速度、加速度与各个构件的速度、加速度之间的关系,以牛顿-欧拉法为基础,对6-PSS并联机构各个杆件和动平台分别建立牛顿-欧拉方程,并消去其内力,以动平台为研究对象导出6-PSS并联机构动力学方程的开式和闭式形式,最后进行了数值仿真,给出了动平台做一定曲线运动时各驱动力的变化曲线.为基于动力学的控制奠定了基础.