可重构解耦并联移动机器人构型综合及性能分析

为提高机器人承载能力,减少驱动电动机能量消耗且使轮腿模式切换平稳高效,提出了一种可重构解耦并联移动机器人构型,并对其进行了构型综合研究及解耦性和奇异性分析。根据机器人机械腿期望自由度,综合出4种主运动支链;基于螺旋理论的去约束法,综合出58种约束支链;基于螺旋理论的虚拟链法,综合出3R球面并联机构作为机械腿承载支链。随后,给出两个机器人实例。以其中一个机器人为例,建立输入-输出方程,分析了机械腿解耦性;通过反证法,验证了可重构单元的奇异位形,并基于Grassmann线几何判断出奇异类型。最后,分析了承载支链的奇异性对于机械腿运动输出的影响。结果说明,机器人机械腿采用并联支链构型,具有较强的承载能力;机器人基于约束奇异方式实现轮腿切换,可使得切换动作更加平稳;机械腿的可重构性可使得驱动电动机能量消耗减少;机械腿各驱动相互解耦,降低了控制难度,使得机械腿轮腿模式切换更加高效。     

六自由度完全解耦并联机构型综合

通过分析解耦并联机构的输入输出特点,基于支链独立驱动原理和螺旋理论提出了6自由度(3R3T)完全解耦并联机构构型综合方法。首先,基于完全解耦并联机构的雅可比矩阵为非零对角阵的要求,利用螺旋理论构造出满足期望要求的正逆雅可比矩阵,以确定支链驱动副作用于动平台上的使动螺旋;再得到该使动螺旋对应支链上的表示驱动副的驱动螺旋和除驱动螺旋之外的其他运动螺旋系,据此可完成支链结构螺旋系的配置;最后,根据完全解耦并联机构分支组合原理,依次选取6条支链连接动定平台,得到多种3R3T完全解耦并联机构。综合的完全解耦并联机构的输出运动是由支链上独立的输入驱动提供的,且机构的正逆雅可比矩阵在运动过程中始终保持为对角阵,所以属于完全解耦并联机构,此类机构结构紧凑,控制简单,具有较好的应用前景。     

基于螺旋理论的3T1R完全解耦并联机构型综合

利用螺旋理论和独立驱动原则对3T1R类完全解耦并联机构进行型综合。首先根据期望3T1R完全解耦并联机构的运动特征(沿X、Y、Z轴方向的移动和绕Z轴方向的转动)和完全解耦并联机构的正逆雅可比矩阵必为对角阵的要求,利用螺旋理论来构造满足所期望形式的正逆雅可比矩阵;然后根据正逆雅可比矩阵所要满足的条件,确定支链驱动副作用于动平台上的使动螺旋,再得到该使动螺旋对应支链上的表示驱动副的驱动螺旋和除驱动螺旋之外的其他运动螺旋系,根据支链连接度的不同,可以配置支链的所有可能构型;最后根据并联机构运动原理依次取出四条支链连接动平台和定平台得到3T1R完全解耦并联机构。综合的并联机构的输出运动是由支链上独立的输入驱动提供的,且机构的正逆雅可比矩阵在运动过程中始终保持为对角阵,所以属于完全解耦并联机构,此类机构控制简单,具有一定的应用前景。     

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。     

一种新型并联式解耦踝关节康复机构及其优化

对踝关节功能损伤的患者,尤其是中风患者来讲,踝关节的康复是一项非常困难的问题。针对此提出一种新型并联式解耦踝关节康复机构,并基于中医康复疗法引入踝关节康复机构需要注重牵引功能的设计思路。所提出的机构能够同时实现单独转动康复(背屈、跖屈,外展、内收)和在牵引下转动的康复过程;利用螺旋理论分析机构在任意位姿下的自由度性质;推导出机构位置正反解,求解速度雅可比矩阵,并对机构进行奇异性分析;通过输出参数对解耦机构杆件尺寸进行优化,基于遗传算法给出数值算例,验证了机构工作空间满足踝关节康复运动的要求。     

解耦混联机构的构型综合

为综合得到解耦混联机器人构型,基于GF集理论提出一种简单而有效的解耦混联机构型综合方法及其构型法则。首先阐述GF集的概念及运算法则;其次通过GF集元素组合和转动轴线迁移定理构造混联拓扑结构,并给出机构输入运动副选择原则和解耦分支设计准则,确保了混联机构运动解耦性;然后根据该构型综合原理,完成2T2R四自由度解耦混联机构型综合具体过程;最后,针对所综合的解耦混联机构,运用混联机构末端分析方法求解其机构的自由度,同时求得其雅克比矩阵,验证了该机构的解耦特性,进一步证明了该构型方法的有效性。     

用于人体关节的P(2-RPS)&U可重构康复机构及运动学分析

基于人体关节运动机理和可重构理念,提出一种P(2-RPS)U可重构康复机构,通过锁定运动副,改变动平台的运动方式,可以分别实现对人体肘关节、膝关节和踝关节的康复训练。分析了P(2-RPS)U可重构康复机构的位置逆解,并基于螺旋理论分析了该机构的位置奇异性,得到机构的两个奇异位置,通过添加驱动的方式避免了奇异位置的发生。使用Adams软件对P(2-RPS)U可重构康复机构进行运动学仿真,仿真结果表明,该机构能够较好地达到人体肘关节、膝关节和踝关节康复运动的范围,满足受损关节的康复需求。     

几何约束驱动的可重构位移子群建模理论

提出基于位移子群的构态重构理论模型,由此探讨约束驱动的空间变胞运动链连续衍生设计策略。通过结合机构构态含拓扑与功能两方面变化特性分析,定义变胞机构中可重构特性的内涵,并将其封装进变胞结构单元,即变胞单元,依据此构建空间运动链构态特性的约束模型,分别构建构态约束矩阵与构态约束特征图,分析约束驱动生成运动链群的构型思想。具体是通过分析子群元素组合对应的构态变化,讨论约束作用性质与子群组合规律,确定几何约束引导单元的交、并运算规则,得出子群约束模型理论,驱动构态方案变化时对应的约束规则与方案衍生过程。深入研究构态约束图对空间变胞链中的拓扑与功能特征尤其含自由度特征的作用机制及约束操作规则、子群运动子集的组合规律,使得变胞运动链的设计转化为子群构态约束特征中元素的改变问题,由此构建变胞机构的多构态结构模型向约束驱动几何模型映射的建模方法,为变胞运动链群的构型方案自动生成与设计提供理论支持。     

欠驱动式移动机器人构型综合

拓展移动机器人的构型以满足更多场景的应用有着重要意义。在颜氏机构创造性设计法的基础上对欠驱动式移动机器人悬架进行创新设计,并针对该方法的不足进行了拓展和补充。从最简化的摇臂机构出发,分别采用了增加机构构件、增加接触地面车轮数目、增加机构自由度等方法,得到了新型的欠驱动式悬架,并从中挑选了几种典型的构型进行移动性能比较和评价,为移动机器人的设计提供了新的构型和思路。     

基于可重构设计与ADAMS软件的变速箱设计

基于可重构设计理论并运用仿真技术,提出了变速箱新的设计过程.从市场调查出发,将可重构设计理论通过模块化分析,巧妙地应用到变速箱的设计中,运用机械系统分析软件ADAMS完善了变速箱的结构与运动分析,完成了检测变速箱箱体的性能.实际应用结果表明,该变速箱具有良好的使用性能.     

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。     

三转一移解耦并联机构型综合

通过分析解耦并联机构的输入输出特点,基于支链独立驱动原则和螺旋理论提出了三转一移(3R1T)解耦并联机构构型综合方法。首先,基于解耦并联机构的雅可比矩阵为非零对角阵的要求,利用螺旋理论构造出满足期望要求的正逆雅可比矩阵,以确定支链驱动副作用于动平台上的使动螺旋,再得到该使动螺旋对应支链上的表示驱动副的驱动螺旋和除驱动螺旋之外的其他运动螺旋系,根据支链连接度的不同,可完成支链结构螺旋系的配置;最后根据解耦并联机构分支组合原则,依次选取四条支链连接动平台和定平台,得到3R1T解耦并联机构。综合的解耦并联机构的输出运动是由支链上独立的输入驱动提供的,属于解耦并联机构,此类机构结构紧凑,控制简单,具有一定的应用前景。     

基于螺旋理论的转动解耦调平机构型综合

芯片与基板之间的平行度调节机构对倒装键合设备的成品率起着决定性作用。为研制该调平机构,基于螺旋理论分析了二自由度转动解耦机构的实现条件,综合出了一类含有3支链的转动解耦的并联机构。该类机构的支链1不含驱动副,由2个转动副组成;支链2和支链3各有1个驱动副,分别驱动动平台绕支链1中的一根转动副轴线旋转。针对其中一种只含转动副和移动副的构型进行了自由度验算,选择了合适的输入运动副,并利用ADAMS完成了该机构的运动学仿真。研究结果表明,该转动解耦的调平机构可应用于倒装键合设备、精密运动平台等多种场合。     

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,证明了该机构的位置与姿态之间运动学完全解耦;基于雅可比矩阵极其条件数分析,阐明该机构在纯背伸趾屈和纯内外翻运动中均具有运动学的完全各向同性性质,且在踝关节工作空间内具有较好的灵巧性及可操作度,并无奇异位形等病态位置存在,通过数据对比验证该机构具有较好的运动学特性,适用于踝关节康复。     

基于运动限定机构的可重构并联机构设计

分析在特殊杆长条件下一种运动限定机构的运动特性。在不同的构型下,运动限定机构可以分别执行一个转动加一个平移运动、一个平移运动、一个转动运动。将运动限定机构与具有两个转动和两个移动运动的串联支链相结合,设计出一类具有可重构特性的混联支链。基于李群理论,得到了混联支链在不同构型下运动的群论表达式。利用三条同样的混联支链连接动平台和定平台,得到了一类新型可重构并联机构。当所有混联支链中的运动限定机构处于奇异位置时,可重构并联机构具有瞬时的6自由度。通过控制运动限定机构运行至不同的构型,可重构并联机构能切换至不同的自由度模式,可以执行四种不同特性的3自由度运动。     

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。     

基于工作空间的踝关节康复广义球面并联机器人运动学参数优化

为了解决现有踝关节康复机器人难以完全拟合人体踝关节运动的问题,在仿生学的基础上,提出了一种高匹配度的踝关节运动串联拟合模型,并研发了一款新型的三自由度广义球面并联机器人.为研究该并联机器人的拟合能力,基于螺旋理论分析了其自由度特性,建立了机构的运动学模型,并在逆运动学的基础上阐明该机器人具有部分解耦特性.根据机器人具有...     

Type Synthesis for 4-DOF Parallel Press Mechanism Using GF Set Theory

Parallel mechanisms is used in the large capacity servo press to avoid the over-constraint of the traditional redundant actuation. Currently, the researches mainly focus on the performance analysis for...