基于变胞机构的性能可变机械臂研制

为研制一种用于铝合金铸件打磨、抛光的机械臂,将3-UPS机构作为初始构型,通过定义运动灵活性和静力承载能力评价指标,揭示出3-UPS机构的尺寸参数与其运动学、静力学评价指标之间的关系,表明:随着尺寸参数的取值变化,3-UPS机构的运动灵活性和静力承载能力变化规律相反,如果要追求其中一种性能,就必然导致另一种性能降低。为了使机械臂的构型、最优机构学性能可以根据不同工况而实时改变,在3-UPS机构每个分支与固定平台之间增加1个移动驱动副,提出一种基于3-PUPS机构的超冗余机械臂,该机械臂可以通过对各分支电动机抱闸锁定的组合实现变胞而得到31种新构型,当其处于3-UPS构型时还可以通过改变固定平台万向副分布半径数值,实时选择性调整运动灵活性最好、或静力承载能力最强。对超冗余3-PUPS机构进行了运动学和静力学建模与分析,揭示了其运动灵活性和静力学传递性能的分布规律。结合打磨、抛光工艺制定出机械臂在不同工况的变胞规则、变尺寸规则,实现了机械臂在不同工况具有不同的自由度状态和最优性能。研制出超冗余机械臂的试验样机,通过一套综合试验系统验证了其变胞构型的可实现性,并测量出其处于3-UPS构型时的定位误差,试验表明:机械臂的运动平台的位置误差均小于0.4 mm,姿态误差均小于0.45°,基本达到了通用式工业机器人的精度水平。     

一种3-DOF并联机械手的研制

提出了一种采用(U+UPS)P+UPS弱耦合并联机构的3-DOF机械手。首先,推导出机构的位置反解,建立机构的速度映射模型,并建立了机构的驱动、约束静力学传递方程。然后,对机构的工作空间进行分析,绘制出工作空间三维分布图以及雅可比矩阵条件数在工作空间内的三维分布图。通过定义运动灵活性评价指标对机构进行运动灵活性分析,绘制出结构参数与运动灵活性评价指标之间的关系曲线;通过定义静力承载性能评价指标对机构进行静力学分析,绘制出结构参数与机构静力承载性能评价指标之间的关系曲线。采用蒙特卡罗法进行结构参数设计,选取了一组综合性能较好的结构参数：机械手的固定平台万向副分布直角边长为240mm,运动平台球面副与参考点间距为80mm,中间连接杆球面副与主UP支链轴线间距为90mm,主UP支链与中间连接杆的固接点到万向副间距为600mm。最后,研制出机械手的实验样机,对机械手实验样机进行了力学标定,验证了机械手样机结构的合理性。     

一种含有闭环支链的5-DOF并联机械臂的动力学建模与分析

提出一种双闭环5-DOF机械臂,该机械臂在((2-UPS)+U)PU构型的基础上增加闭环结构,得到新的拓扑构型2-UPS+((2-UPS)+U)PU,闭环结构的引入使得机构获得更高的承载能力且为拓扑新的构型提供了新思路。应用矢量链法,建立了机构的位置模型;推导了支链驱动速度、支链摆动角速度与运动平台广义速度V_o的映射,建立了机构的独立变量q与运动平台广义速度V_o之间的解耦矩阵;建立了机构支链中的摆动杆、伸缩杆质心速度与运动平台广义速度V_o之间映射,并基于虚功原理建立了机构的动力学模型,将推导的动力学模型变换成具有Lagrange动力学形式的动力学模型;在Adams仿真软件中建立该机构的虚拟样机模型,通过仿真验证了推导的动力学模型的正确性。     

3-RSS同轴驱动布局并联机构的打磨机器人设计与运动分析

针对目前串联型打磨机器人在打磨球面时存在刚度不足的问题,提出一种3-RSS同轴驱动布局并联机构工具型打磨机器人.同轴驱动布局是将驱动布置在同一轴线,主体由基柱和3组可以绕基柱旋转的机械臂构成,每个机械臂外接支链杆簇,3组支链杆簇与末端打磨头相连.通过构型分析、结构设计,建立同轴驱动布局打磨机器人模型,并对模型进行运动学分析,通过雅可矩阵分析奇异位置,获得打磨机器人的灵活工作空间;经过运动仿真,对比预设路径与仿真轨迹,进行运动误差分析,验证了驱动方案的可行性.研究结果为并联机构打磨机器人拓展工作空间、提高刚度提供了理论与技术支持.     

基于魔方的并联机构运动支链构造及综合方法

提出了1种基于魔方的并联机构运动支链构造及综合方法,该方法不仅能够直观反映出运动支链中运动副的数量,还能展现出相邻运动副之间的轴线关系,有利于机构创新工作者,根据具体的需求综合出最优的机构构型。首先介绍了并联机构,魔方以及魔方与运动副和运动副轴线之间的相互联系;其次通过魔方的各种变换来构造出各种运动支链,并借助螺旋理论分析运动支链的末端运动特征;而后根据运动支链的末端运动特征状况进行整理、分类,组建运动支链库;最后,根据实际的需求,在运动支链库中选择合适的运动支链,构造出一系列同等运动形式的并联机构,并对其进行评估,从而得到最优的并联机构构型。     

转动轴线共面型3-RPS并联机构运动特性分析

通过对刚体运动螺旋和约束反螺旋的研究,给出了利用约束反螺旋求解运动支链或机构末端运动特性的分析方法,这种方法具有通用性。利用这种方法分析了RPS运动支链在运动副所有不同布置方式下的末端运动特性,求解了具有不同运动支链布置形式的三种转动副轴线共面型3-RPS并联机构的末端运动特性。说明了3-RPS并联机构并非一般认为的两个转动自由度和一个移动自由度,支链中运动副的相对位置不同或者支链的布置方式不同,则机构末端运动特性也不同。     

冗余度机械臂的自运动流形计算及关节轨迹规划

为了求解冗余度机械臂的全部逆运动学解，以计算包含全部逆运动学解的自运动流形为目标，提出了一种新的自运动流形计算方法。该方法基于人工蜂群算法完成自运动流形各分支初值的搜索，解决了分支初值难以确定的问题，并提出了分支搜索策略，实现了完整流形分支的搜索。在此基础上，为提高自运动流形的计算效率，定义了自运动流形的全等性与渐变性并建立了流形库，通过索引流形库内的自运动流形能够快速计算工作空间任意位置的自运动流形。利用流形库对机械臂进行全局性能分析，得到了各流形分支的局部最优位形；以每条分支的局部最优位形作为初始位形进行关节轨迹规划，实现了给定末端轨迹的全局最优关节轨迹规划，并通过4R机械臂和7R机械臂验证了方法的有效性。该方法还可用于超冗余度机械臂自运动流形的计算，具有较好的通用性。     

一种采用球面编号靶点的串联机械臂测量方法

为了在较大范围内获取高精度的机械臂末端实际位姿数据进行机械臂运动学模型真实参数的辨识,提出一种基于球面编号靶点的串联机械臂测量方法,利用双目视觉实时跟踪与末端法兰刚性连接的标准靶球,设置在球体表面的标志点依靠特殊的排列分布进行区分编号,球心坐标和靶球方向分别由任意捕捉的至少4个点和已知的空间几何位置关系根据克莱姆法则计算求得,在工作空间内任意运动机械臂进行末端靶球位姿测量。建立位姿误差模型,采用最小二乘法辨识出准确的几何参数,实现机械臂的误差校准。试验结果表明,此法具有较高的精度,克服了传统视觉系统定位跟踪的视野狭小,降低了机械臂末端位姿测量的成本,简单可靠,同时有效的提高了机械臂的定位精度。     

基于性能图谱的2自由度RR&PRR解耦球面并联机构承载能力研究

2自由度解耦球面并联机构动平台通过两条支链与静平台连接,第1条支链由两个转动副(R)组成,第2条支链由1个移动副(P)、2个转动副(R)组成。在机构设计无量纲法建立2自由度解耦球面并联机构空间模型的基础上,对该机构的承载能力性能指标进行系统的分析,提出了应用性能指标均值及其波动情况描述机构承载能力性能的新方法,以等值线的形式绘制了该机构的承载能力性能图谱。     

4-RRRPP并联机构工作空间解析分析

通过对串联机构、并联机构工作空间分析方法的梳理,提出一种基于支链关节运动能力逆向综合的解析作图分析新方法。提出将并联机构分解成串联支链,然后把串联支链从输出末端到固定端以关节插件形式逆向组装,将每一次组装后得到的关节或串联机构的末端工作空间运动能力的空间几何形体作为母线/母体/母面,以组装关节轴线为基线,借助三维CAD软件工具,得到整个支链末端工作空间运动能力域,并给出其一般方法和步骤。将各支链末端工作空间运动能力域在固定坐标系下的空间位置进行重置,求取其交集,从而得到并联机构输出末端参考点的可到工作空间。并以机构为实例证明该方法的有效性,当改变并联机构静平台尺寸保持不变,动平台各关节距离其形心的尺寸参数发生改变时,并联机构输出末端工作空间形状相似,但体积大小随着距离的增大而减小。当改变并联机构动平台尺寸保持不变,静平台各关节距离其形心的尺寸参数发生改变时,并联机构输出末端工作空间形状也发生改变,体积随着距离的增大而减小。     

规划输入命令法消除带滑移／转动副的柔性机械臂的余振

规划输入法降低柔性机械臂的余振是机构学的一个前沿课题，目前的研究对象大都是具有一个运动自由度的柔性臂。本文将这项技术由一个运动自由度推广到两个自由度。提出了一种通过规划输入解决变参数柔性臂端点余振的新方法，对带滑移／转动副的柔性机械臂的输入函数进行了规划，使机械臂到达指定位置后，末端余振振幅在允许的范围内。     

空间2自由度冗余驱动并联机构运动学性能分析

面向建筑机器人领域的高性能机械臂需求,提出了一种空间2旋转自由度的3-UPS&U冗余驱动并联机构。基于螺旋理论和修正的G-K公式对机构的整体自由度进行分析,确定了其围绕恰约束支链万向副旋转的运动特性。建立驱动参数与末端参数之间的映射关系,得到其工作空间模型。通过主驱动并联、从动约束串联的独立建模,构造了该并联机构完整的广义雅可比矩阵,进一步得到动平台末端中心点线速度与驱动关节速度之间的无量纲化雅可比矩阵,并据此建立了特定工作空间下机构的灵巧度、承载能力和刚度性能评价指标。最后结果表明,3-UPS&U冗余驱动并联机构进行较高频次上下摆动作业时,在约束支链所布置的对应转轴方向上,具有更佳的综合运动学性能,且能大大降低性能衰减的幅度。     

一种基于D-H参数的7自由度机械臂机构精度综合方法研究

提出了一种基于最佳精度模型的机械臂机构精度综合的方法,利用遗传算法对D-H参数公差优化分配,为机械臂的精度设计提供理论依据。以一种基于双电机伺服驱动关节的7自由度协作机械臂为研究对象,机械臂的几何定位精度的设计目标为1.4 mm,建立该型机械臂末端执行器的几何定位误差模型;对参数误差进行敏感性分析,找出对机械臂末端执行器几何定位误差影响相对较大的参数误差;根据最佳精度数学模型,利用遗传算法对D-H参数公差优化分配;经过对误差仿真计算分析,机械臂的最大几何定位误差为1.226 7 mm,均值为0.485 9 mm,方差为0.216 5 mm,满足设计要求。为该机械臂的制造装配提供了理论参考依据。与基于最小成本模型的精度综合法相比,提出的精度综合方法不需要统计加工制造成本信息,能够确保机械臂的设计精度满足设计要求,可用于单个或者小批量生产制造机械臂的精度设计。     

七自由度冗余机械臂避障控制

基于冗余机械臂零空间的自运动特性,提出了一种新的七自由度冗余机械臂避障控制方法.该方法引入臂平面和避障面来参数化表达冗余机械臂的零空间运动;基于这种描述,利用人工势场法实现碰撞检测;根据检测结果得出的虚拟排斥力推导零空间运动方程,改进具有位置内环的逆动力学控制方法,使机械臂避障时的动态性能具有类似质量-阻尼系统的物理特性.该方法可以在控制末端执行器运动的同时实现冗余机械臂避障.为了验证所提出方法的性能,利用在轨自维护实验平台完成了实验.实验结果表明,机械臂与障碍物的最近距离大于40 mm,末端执行器位置动态误差小于10 mm,稳态误差小于2 mm.这些结果显示,所提出的方法通过合理地自运动行为实现了冗余机械臂的避障控制,而且在避障过程中不影响末端执行器的操作.     

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。     

末端质量和关节惯量对柔性臂运动稳定性的影响分析

采用控制系统稳定性分析方法研究了柔性机械臂的末端质量和驱动关节转动惯量对柔性机械臂弹性运动稳定性的影响。首先推导了末端有集中质量的柔性机械臂的动力学模型,建立了以驱动力矩为输入、以末端位置弹性振动为输出的柔性机械臂系统的传递函数。然后,用劳斯判据建立了末端位置弹性运动稳定性判据。用建立的稳定性判别式计算并对比了不同末端质量和关节转动惯量下柔性机械臂弹性运动的稳定性,定量验证了这两个参数对柔性机械臂弹性运动稳定性的影响程度。       

五自由度并联机械腿静力学性能评价与优化设计

为了对一种六足机器人的五自由度并联机械腿进行静力学性能评价和优化设计,提出了一种同时考虑约束力映射关系和驱动力映射关系的腿部机构静力学分析方法,并基于此方法对机械腿进行了优化设计.首先,通过分析腿部机构的驱动、约束映射关系,分别建立了腿部机构的驱动雅可比矩阵和约束雅可比矩阵;应用虚功原理建立了腿部机构的驱动静力传递平衡方程,在定义驱动静力学评价指标的基础上绘制了评价指标分布图,得出了结构参数与驱动静力评价指标之间的关系曲线.然后,采用同样的方法建立了腿部机构的约束静力传递平衡方程,定义了约束静力学性能评价指标,得出了结构参数与约束静力评价指标之间的关系曲线.最后,基于驱动、约束静力学性能评价指标,采用蒙特卡罗法对结构参数进行了优化设计.计算表明,固定平台结构参数a为200mm、运动平台结构参数b为80 mm,UPU支链长度l1min,l3max分别为500mm、900mm时,腿部机构的静力学综合性能最好.     

一种含防扭臂并联机器人结构及静力学分析

设计了一种含防扭臂结构的3自由度并联平台(3-UPS/PS/RPS),其中UPS为驱动支链,PS和RPS为恰约束从动支链。运用螺旋理论分析其约束状况,表明该机构为无过约束机构。对机构位置进行分析,给出其位置反解求法,通过ADAMS运动曲线证明了动平台在单一自由度上的运动独立性。采用拆杆法对动平台进行静力学分析,得出动平台的静力学平衡方程,分析了防扭臂结构对平台的影响。相应实例验算证明了平台的受力状况良好,防扭臂结构的加入提高了平台承载能力,研究结果可为该机构在工程上的应用作参考。     

一种3自由度并联抛磨机械臂的运动学分析

针对百叶窗叶片的仿形抛磨要求,研究了一种可为末端执行器提供X向、Y向的移动和Z向转动的3自由度并联机械臂。为了验证机械臂的运动学性能,首先,描述了其机构特征,并基于螺旋理论进行了机构自由度分析;其次,基于闭环矢量法构建了机构运动学方程,对其进行了位置正、逆解分析,并通过具体算例对分析结果进行了初步验证;最后,构建了机构的数值仿真模型和虚拟样机模型,进行了位置、速度的逆运动学仿真分析。仿真结果表明,两种模型的分析结果一致,逆解理论分析结果可信;机械臂各支链可协调运动,运动过程平稳,位移、速度曲线平滑、无突变,可为后续机械臂的尺寸优化和运动控制提供依据。     

3PRRR并联机构的设计与优化

对一种空间3自由度并联机构(3PRRR)进行设计与优化,该机构是由一个动平台与一个静平台通过3个结构相同的移动副-转动副-转动副-转动副构成的支链组成。分析了机构运动关系,建立了运动学模型,分析滚珠丝杠输出与动平台末端位置的关系以及支链各臂转角与动平台末端位置关系。在MATLAB环境下利用C语言编写程序,以工作空间最大化为目标,对各支链的杆长进行优化,得到了相对最优的机构设计方案。在此基础上,设计加工制作了实物样机。