并联机器人机构新构型设计的探讨

主要探讨并联机构的新构型,针对现存并联机器人机构的种类,分布特点和技术不足以及应用需求,提出一种新型的把空间移动和转动结合起来的3自由度完全并联机构构型,并分析了它的设计思想,该并联机构可广泛应用在工业机器人,飞行模拟器,微动机器人和并联机床等领域。     

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。     

仿人机器人构型

对人形机器人构型的研究现状进行综述,分析国内、外现有人形机器人普遍采用的串联构型的特点;介绍人体的结构,对关节、肢体构成与运动进行简化,建立人体的简化构型;利用基本运动单元,以人体构型为原型,从结构、运动、功能仿生的角度出发,在多自由度关节处引入并联机构,采用等效机构替代关节及组合方法,构建人形机器人构型,得到肢体并联、混联(串、并联共存)构型与整体混联构型。试验证明,采用该类构型可使机器人肢体末端的运动更灵活、平滑连续;改善输出状态,提高机器人的机动与操作能力;使机器人刚度大、承载力大、运动稳定性高。丰富了人形机器人构型,为人形机器人设计提供理论依据和更多的构型选择。     

并联机床数字化创新设计研究

概述了并联机床创新设计的方法,介绍了并联机床总体方案设计,并联机构构型设计,构型综合,并联机床概念样机设计等过程中创新的主要内容;结合并联装备虚拟产品设计系统,进一步介绍了已实现的并联机床创新设计数字化环境,最后,通过典型的并联机床产品创新设计过程介绍了该数字化创新设计环境的应用。     

基于构型组合的空间探测机器人移动机构设计

提出基于构型组合和构型创新的空间探测机器人移动机构设计方法.该方法将轮式空间探测机器人视为由轮系、悬架和车体三类子构型组合而成的多体系统.提出同构组合和异构组合两类设计模式,将空间探测机器人移动机构的创新设计归结为子构型获取和子构型组合,并对两类设计模式进行理论分析,建立计算模型.分析国内外经典空间探测机器人移动机构构型,设计两种轮系构型和两种悬架构型,通过构型提取和构型创新得到4种轮系构型、5种悬架构型和5种车体构型.以四轮、六轮和八轮空间探测机器人为研究对象,采用基于构型组合的设计方法,通过同构组合得到70种新型同构组合空间探测机器人移动机构,通过异构组合得到165种新型异构组合空间探测机器人移动机构.     

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。     

一种三平动并联机构的设计与运动学分析

针对Delta并联机器人在食品、医药、电子等轻工业上的广泛应用,对一种T型轴铰链Delta三平动并联机器人的构型设计进行了系统研究。分析了运动副在机构组合中自由度约束关系,得出了一种最小支路位移参数特性,以此遴选出3TOR并联机构所含的支路类型,综合出多组三平动并联机器人机构。经过机构演变法,设计出一种支路类型为HSOC{■}的新型T型轴铰链的Delta并联机器人机构。并基于位移参数特性,验算了其机构空间自由度。基于设计的Delta并联机器人机构,进行了运动学分析,建立了逆解位置模型、正解位置模型和速度模型。     

基于粒子群算法的八面体变几何桁架机器人位置正解

根据杆长约束条件,给出了求解6-DOF八面体变几何桁架并联机器人机构位置正解的无约束极大极小优化模型,并应用粒子群算法求解此优化问题。该算法不需要初值和导数信息,并具有控制参数少、容易实现等优点。数字实例表明,对于八面体变几何桁架并联机器人机构位置正解问题,粒子群算法能求出全部装配构型,且收敛速度较快、精度较高。     

完全解耦一移动三转动并联机构结构综合

为综合得到一移动三转动(1T3R)完全解耦并联机器人构型,基于G_F集理论提出一种简单而有效的构型综合方法。首先阐述G_F集的基本概念、运算法则,并联机构数综合;其次给出机构输入运动特征选择原则和分支设计准则,确保了并联机构运动解耦性;然后根据该构型综合原理,完成1T3R四自由度完全解耦并联机构型综合具体过程,得到了大量新构型;最后,针对所综合出的一种新型1T3R并联机构,运用螺旋理论求解其机构的自由度,同时求得其雅克比矩阵,验证了该机构的完全解耦性,进一步证明了该构型方法的有效性。     

高速高加速并联机器人构型与尺度参数设计

高速并联机器人因其通用性和适用性,有望成为电子、食品和医药等行业中保障质量、提高效率和降低成本的核心装备,具有重要的学术研究和工程应用价值。围绕高速并联机器人的双动平台优势特征,提出平台间耦合策略,建立基于平台间耦合策略的线几何图谱化高速并联机器人构型综合方法,实现双动平台型高速并联机器人构型创新设计;针对优势机器人构型,采用双动平台型并联机器人运动和力传递特性指标体系,优化设计出一组高性能高速并联机器人尺度参数;开展样机研发、实验研究与应用验证,结果表明：TH-SR4并联机器人具备高速高加速品质,在高速分拣与操作领域具有应用前景。     

Fuzzy-sliding mode control of a polishing robot based on genetic algorithm

This paper proposes a fuzzy-sliding mode control which is designed by a self tuning fuzzy inference method based on a genetic algorithm. Using the method, the number of inference rules and the shape of the membership functions of the proposed fuzzy-sliding mode control are optimized without the aid of an expert in robotics. The fuzzy outputs of the consequent part are updated by the gradient descent method. It is further guaranteed that the selected solution becomes the global optimal solution by optimizing Akaike’s information criterion expressing the quality of the inference rules. In order to evaluate the learning performance of the proposed fuzzy-sliding mode control based on a genetic algorithm, a trajectory tracking simulation of the polishing robot is carried out. Simulation results show that the optimal fuzzy inference rules are automatically selected by the genetic algorithm and the trajectory control result is similar to the result of the fuzzy-sliding mode control which is selected through trial error by an expert. Therefore, a designer who does not have expert knowledge of robot systems can design the fuzzy-sliding mode controller using the proposed self tuning fuzzy inference method based on the genetic algorithm.     

基于避障准则的双臂手移动机器人桁架内运动规划

针对桁架内移动的避障要求,研究双臂手移动机器人桁架内运动的规划方法。基于状态空间模型提出直角坐标空间下的六面心、八边心和八顶点搜索算法,避免了C空间内复杂度呈几何级数增长的问题,实现了末端无碰撞路径搜索。建立双臂手移动机器人三节臂的平面内避障准则,解决了机器人在桁架内运动时机器人臂与桁架杆的碰撞问题。根据平面内避障准则和臂形标志,求得了各个关节角的解析解,解决了数值解的不封闭问题。每个时刻末端姿态由通用旋转变换公式线性插值得到,在Matlab中仿真双臂手移动机器人桁架内的运动,验证了双臂手移动机器人在桁架内运动时避障方法的可行性。     

Optimal design of a 3-leg 6-DOF parallel manipulator for a specific workspace

Researchers seldom study optimum design of a six-degree-of-freedom(DOF) parallel manipulator with three legs based upon the given workspace. An optimal design method of a novel three-leg six-DOF parallel manipulator(TLPM) is presented. The mechanical structure of this robot is introduced, with this structure the kinematic constrain equations is decoupled. Analytical solutions of the forward kinematics are worked out, one configuration of this robot, including position and orientation of the end-effector are graphically displayed. Then, on the basis of several extreme positions of the kinematic performances, the task workspace is given. An algorithm of optimal designing is introduced to find the smallest dimensional parameters of the proposed robot. Examples illustrate the design results, and a design stability index is introduced, which ensures that the robot remains a safe distance from the boundary of sits actual workspace. Finally, one prototype of the robot is developed based on this method. This method can easily find appropriate kinematic parameters that can size a robot having the smallest workspace enclosing a predefined task workspace. It improves the design efficiency, ensures that the robot has a small mechanical size possesses a large given workspace volume, and meets the lightweight design requirements.     

Transformation of static balancer from truss to linkage

This paper presents a transformation method by which a static balancer of a truss is transformed into static balancers of various mechanisms. For conventional design methods the kinematics and potential energy of every mechanism should be computed to design a static balancer. For the proposed design method, however, no computation of kinematics and potential energy is necessary to obtain static balancers of various mechanisms, once a static balancer of a truss has been designed. The concepts of the Baranov truss and associated linkage are adopted to determine transformation relations. Conversion rules are developed in the viewpoint of gravitational torques and deletion rules are determined to apply conversion rules to the design equation. Static balancers of various mechanisms (four-bar linkage, slider crank mechanism, Watt mechanism and sliding mechanism derived from the watt mechanism) are derived from those of the five-link and seven-link Baranov trusses in this paper. Simulations results showed that complete gravity compensation is achieved for all derived mechanisms from Baranov trusses.     

Special configurations of spatial mechanisms and robot armsSpezielle konfiguration räumlicher mechanismen und roboterarme

A novel general method is developed for determining special configurations of all single-loop mechanisms. The results are illustrated by means of numerical examples. In addition special configurations of robot arms are investigated, and a simple result which has important practical application is deduced; “when all the screws representing the instantaneous motion of the joints of a robot arm are reciprocal to a common screw or screw then the end effector cannot have free instantaneous movement parallel to the axis or axes of the reciprocal screws”.     

基于图论的可重构机器人构型综合

提出了一种简单而有效的可重构机器人构型综合方法,应用的理论基础是图论。为此,首先将可重构机器人的各模块抽象为积木块,这样,可重构机器人系统可用一个图来描述,基于图论原理和模块间的连接约束条件,得到模块所有可行的组合装配构型。利用该方法对一种由齿轮传动模块、齿条传动模块、带传动模块和平面连杆机构等4个模块组成的4自由度可重构机器人进行了构型综合,得到了它全部6种可行的装配构型,从而有效地完成了可重构机器人的概念设计。     

2自由度高速高精度并联机器人的运动学优化设计

提出一种基于工作空间综合和灵巧度、速度和几何精度等性能指标分析的2自由度并联机器人运动学优化设计方法,构造一种由灵巧度、运动速度和运动分辨率等变量组合而成的工作空间全局评价指标。优化过程分为两步进行：首先以灵巧度、力传递特性和避免奇异位形的几何条件为约束,综合出具有良好特性的工作空间,在此基础上研究不同杆长比下实现目标工作空间所需的尺度参数;然后根据全局运动学性能评价指标从第一步的优化结果中遴选出最合适的杆长比,从而实现了对机构的几何尺度参数优化。并给出了算例以说明方法的有效性。     

一种五轴并联机床的机构参数分步辨识方法

以五轴并联机床为研究对象,基于量子粒子群优化算法,对少自由度并联机床的机构参数辨识问题进行了研究。根据五轴并联机床的结构特点,对运动末端的测量位姿进行优化选取。将并联机构参数辨识问题转化为非线性系统的最优化问题,利用量子粒子群优化算法的全局搜索能力设计一种分步辨识方法对机构参数进行优化、辨识。仿真结果显示,基于量子粒子群优化算法的分步辨识方法能够比较准确地辨识机构参数的真实值。该分步辨识方法同样适用于其他少自由度并联机器人的机构参数辨识。     

Absolute robot calibration with a single telescoping ballbar

A novel 6D measurement system was recently proposed, comprising a single commercially available telescoping ballbar and two custom-made fixtures. One fixture is attached to the robot base and the other to the robot end-effector, and each having three magnetic cups. In each of 72 poses of the tool fixture, with respect to the base fixture, it is possible to measure six distances with the ballbar between the magnetic cups on the tool fixture and the magnetic cups on the base fixture, and thus calculate the pose with high accuracy. This paper is the first to present the successful use of this measurement system for absolute robot calibration. The robot calibrated is a Fanuc LR Mate 200iC six-axis industrial robot and the telescoping bar used is the QC20-W by Renishaw. The absolute position accuracy of the robot after calibration is validated with a Faro laser tracker in almost 10,000 robot configurations. Considering the validation data in only the front/up configurations, the mean absolute positioning error is improved from 0.873 mm to 0.479 mm. To allow a comparison, the robot is also calibrated using the laser tracker and the robot accuracy validated in the same 10,000 robot configurations.     

模型驱动复杂机电系统软件与物理并行概念设计

并行设计是机电一体化系统概念设计的重要发展趋势,而软件作为复杂机电系统的重要组成部分,其早期设计通常与物理子系统串行开展,这极大限制了软件设计空间并导致严重的早期设计缺陷。为在复杂机电系统概念设计阶段实现软件与物理子系统的并行设计,提出了一种基于SysML的模型驱动软件与物理并行概念设计方法。将基于流的物理功能表示与基于数据/控制流图的软件功能表示相结合,提出了基于SysML的混合功能模型,通过该模型驱动软件与物理子系统设计的并行开展。在物理设计方面,基于功能效应匹配及时序规则模板实现带隐含时序约束的工作原理检索与筛选;在软件设计方面,基于分布式控制应用设计模式提出软件组件及其行为模型自动生成方法。最后,以移动机器人系统为例,展示了复杂机电系统软件与物理并行概念设计过程。