新型工业机器人结构设计及其全域刚度预估方法

设计了一种新型5自由度无间隙传动工业机器人结构,机器人机械臂采用平行四边形框架及电动缸对角驱动的桁架式结构,有利于提升机器人的综合刚度．腰部和腕部采用双电机驱动主从消隙控制消除传动间隙,臂部电动缸的滚珠丝杠副通过双丝母预紧消除反向间隙,实现机器人无间隙传动．根据机器人外部载荷和基于能量法计算的机器人末端变形建立机器人全域工作空间刚度预估模型,通过机器人的整机刚度有限元仿真结果及原理样机的实验结果验证了刚度预估模型的有效性．最后,分析了机器人的刚度分布特性并与Fanuc S900iB/400工业机器人进行了刚度比较,结果表明了本文机器人结构的刚性优势．     

基于刚度椭球模型工业机器人姿态与抑制振动效果的研究

该研究以新松SR6C型工业机器人为对象,研究在加工过程中调整工业机器人的姿态对抑制加工系统的振动作用。通过理论分析,获得工业机器人不同姿态的刚度性能。根据机械臂刚度椭球模型,衡量加工刚度大小。利用工业机器人磨削工件实验,验证了刚度椭球半轴长、机械臂加工的刚度和加工系统振动之间的关系,为研究工业机器人加工产品过程中降低振动提供了参考依据。     

变刚度机构及其在协作型机器人中的应用

协作型机器人被广泛应用于自动化和物料搬运。为承载有效载荷并实现精确运动,协作型机器人需要具备足够的刚性。此外,为满足人机交互的安全性,协作型机器人还需要具备足够的灵活性,变刚度机器人则同时满足了安全性与刚性的要求。该文首先介绍了变刚度机器人的相关研究和几种基于机械结构的可变刚度方法,并对其工作原理进行分类;然后根据刚度范围、刚度比和响应时间等标准,对现有方法进行定量比较,简单总结各种方法的优缺点,并介绍了相关变刚度机构在协作型机械臂和抓手中的应用。     

面向铣削任务的工业机器人刚度位姿优化

为提高机器人刚度性能,减小铣削加工误差,对搭载铣削执行器的6自由度机器人进行刚度优化.首先,运用虚功原理建立机器人刚度映射模型;其次,设计辨识实验获取关节刚度;再次,以铣削力椭圆平面的各向同性度为优化指标,运用遗传算法对机器人优化位姿进行求解;最后,对比分析机器人位姿优化前后的整体刚度,并进行机器人铣削试验验证位姿优化的有效性,铣削平面度可提升45％.该优化方法可指导串联型工业机器人对大型航天器舱体的铣削加工任务,提高加工质量.     

壁面清洗机器人本体刚度及振动研究

依靠风扇产生负压吸附于壁面的高大建筑清洗机器人系统,其密封裙边和支撑机构的刚度构成了机器人的本体刚度.由于它的存在,加之壁面的某种不平、窗框、密封胶条、机器人移动及清洗刷的旋转运动等因素的影响,导致机器人在壁面上工作时出现不同的振动状态.本文建立了清洗机器人系统的动力学模型,研究了壁面清洗机器人本体刚度与清洗刷位置布局、机器人在壁面上的振型以及临界牵引速度之间的关系,给出了清洗刷的布置准则以及机器人临界牵引速度的确定准则.     

机械式仿骨骼肌变刚度机构原理及设计

随着物理性人机交互的增加,人机安全性等问题引起关注.应用于机器人关节中的机械式仿骨骼肌变刚度机构因其能够模仿骨骼肌的变刚度特性,故可以解决人机安全性和未知环境适应性等问题.通过对国外机器人变刚度关节结构设计的研究,总结了机械式仿骨骼肌变刚度机构的非线性变刚度原理,将其结构设计实现方法分为5类,并分析了这5类结构设计实现的优缺点,为设计安全性高、适应性强的机器人提供参考和依据.     

基于解耦线性化的变刚度关节动态刚度辨识

为了能够利用变刚度关节实现对机器人动态特性的调整,需要对关节的动态刚度进行有效的辨识和控制.本文首先根据机器人变刚度关节的结构特点建立了简化模型,并对其刚度输出特性表达做出假设;然后对模型中的力矩相关参数进行解耦,消除了关节刚度调节参数对力矩的影响,获取与刚度辨识相关的归一化力矩;利用泰勒展开对归一化力矩进行线性化处理,采用卡尔曼滤波器进行了系数优化,并进一步实现了对关节动态刚度的辨识.仿真中该刚度在线辨识方法可以将辨识误差控制在±2%以内,在实现动态刚度辨识的基础上研究了基于前馈的刚度闭环控制方法,通过仿真实验验证了该方法对于机器人关节刚度闭环控制是有效的.     

机器人串联弹性关节驱动器的刚度控制方法

机器人关节的柔顺性在人机协作过程中具有重要作用，然而固定的关节柔性无法满足动态变化的人机协作需求，因此对机器人的关节驱动器提出了具有刚度调节能力的要求.本文采用阿基米德螺旋线平面涡卷弹簧作为机器人关节的柔性元件，并提出一种可用于具有固定刚度的串联弹性驱动器的刚度控制方法.根据关节刚度的定义，将测量得到的弹簧输出端角度用于计算弹簧的输入端转角，使得机器人关节驱动器的等效刚度可以被调整到所期望的大小.该方法以电机位置控制为内环，关节刚度控制为外环，简化了控制器设计，并实现了解耦控制.对所设计的刚度控制器进行了分析.最后在自主设计的单自由度薄型串联弹性驱动器实验平台上进行了刚度调节实验，包括刚度的双向阶跃、零刚度和正弦变化的刚度，实验结果表明关节等效刚度能准确跟踪期望值，验证了该方法的有效性.     

面向足式机器人的新型可调刚度柔性关节的设计及性能测试

为提高足式机器人的运动适应能力,为其设计了一款具有刚度连续调节功能的新型柔性旋转关节.通过研究杠杆机构输出刚度与传动比的对应关系,提出以变传动比杠杆机构作为核心部件进行可调刚度柔性关节的设计.文中对关节的结构以及关节驱动方式等进行了紧凑化设计,以满足足式机器人系统对体积及重量的要求.在设计中通过分析关节输出刚度系数与关节相关结构参数之间的关系,为关节输出刚度调节选择了较为敏感的参数调节范围,提高了刚度调节的灵敏性.在此基础上,通过开展机构运动学分析,确定了关节机构的理论刚度输出固有特性.关节样机测试表明,该调节机构能够实现关节输出刚度的调整和有效控制,该关节在结构设计以及功能方面均可以满足在足式机器人腿部结构中的应用需求.     

用于神经外科手术的磁共振图像导航机器人的兼容性研究

分析了磁共振图像导航微创外科手术环境对机器人的要求,提出了磁共振图像导航机器人必须满足的结构和磁共振兼容性方面的特殊要求.探讨了MRI导航机器人的构型设计及结构优化设计问题,实现了机器人结构兼容性设计.将机器人部件进行分类,并设计了相应的磁共振兼容测试方法.通过在各部件兼容性测试中对水模信噪比的测试,实现了机器人磁共振兼容性.     

船用橡胶轴承刚度分析

为进行轴系与船体的耦合结构动力学分析,将船用橡胶轴承与轴颈的相互作用简化为以集中质量和刚度形式表述的动力学缩聚模型,并通过接触非线性有限元分析提取轴承结构的等效质量和等效刚度,准确描述含有超弹性橡胶材料的轴承结构在承受一定轴承压力下的力学行为.计算橡胶轴承结构等效质量、等效径向刚度、等效扭转刚度以及等效转动刚度等,并讨论橡胶压缩性对轴承刚度的影响.结果表明:随着橡胶可压缩性的增强,轴承的等效径向刚度增强,扭转刚度减弱.     

微机械加速度计挠性梁机械刚度的实验研究

在使用开环频率响应实验求取微机械加速度计挠性梁机械刚度时,不可避免地受到静电负刚度的影响。通过分析预载电压和扫频信号幅值对静电负刚度的影响,提出了从系统刚度中分离出挠性梁机械刚度的计算方法。通过不同实验条件下得到的实验结果,验证了该方法的正确性。     

尾段主梁刚度变化对T型尾翼颤振特性的影响

由于T型尾翼结构和气动布局的特殊性,其颤振特性的分析比较复杂.T型尾翼安装在机身尾部,这体现在有限元结构模型中即为T型尾翼与尾段主梁相连接.为了研究尾段主梁的刚度变化对T型尾翼颤振特性的影响,以某T型尾翼飞机的尾段为研究对象,根据其原始刚度,分别改变其垂直弯曲刚度和扭转刚度,并计算分析相应刚度下的固有振动特性与颤振特性.最后分别以这两个刚度为变量,另一个刚度的原始值为常量进行分析.结果表明尾段主梁的刚度变化对垂尾弯扭耦合颤振的影响较为显著.     

Environmental Adaptive Control of a Snake-like Robot With Variable Stiffness Actuators

This work investigates adaptive stiffness control and motion optimization of a snake-like robot with variable stiffness actuators. The robot can vary its stiffness by controlling magnetorheological fluid(MRF) around actuators. In order to improve the robot's physical stability in complex environments, this work proposes an adaptive stiffness control strategy. This strategy is also useful for the robot to avoid disturbing caused by emergency situations such as collisions. In addition, to obtain optimal stiffness and reduce energy consumption, both torques of actuators and stiffness of the MRF braker are considered and optimized by using an evolutionary optimization algorithm. Simulations and experiments are conducted to verify the proposed adaptive stiffness control and optimization methods for a variable stiffness snake-like robots.     

Region-based toolpath generation for robotic milling of freeform surfaces with stiffness optimization

Because of industrial robots’ relatively low stiffness, many research efforts have been performed to improve the robot stiffness by optimizing the robot posture. For freeform surfaces with large curvature, however, the expected high stiffness posture may undergo excessive changes that exceed the robot joint speed limit. Therefore, the stiffness optimization may not achieve the expected results in actual machining owing to the limitation of robot kinematics and conventional toolpath pattern. To address this problem, a region-based toolpath generation method is proposed to improve robot stiffness in this study for robotic milling of freeform surfaces. To provide the possibility of higher stiffness robot posture, not only the redundant degree of freedom (DOF) of the robot but also the orientation of tool axis during machining is optimized. Under the influence of surface curvature and position, the change of high stiffness posture has regionality. A surface subdivision method is proposed to divide the surface into multiple sub-regions, so that actual robot posture with better stiffness can be obtained. For each sub-region, the feed direction of toolpath is optimized to further enhance robot stiffness. Simulations and experimental studies are conducted, and show that the proposed toolpath generation method can improve the robot stiffness in freeform surface machining.     

实时触觉再现接口的设计与实现

提出了一种具有实时触觉反馈作用的人机接口装置的设计方法,以控制弹性梁的有效变形长度为核心,保证了触觉再现的实时性和准确性,从而可以在操作者指端大范围再现虚拟对象或远程对象的刚度.介绍了该人机触觉再现接口装置的机械设计、传感器系统、直流伺服控制系统以及数据采集系统的设计.该实时触觉再现接口具有尺寸小、刚度再现范围大等特点,可广泛应用于遥操作机器人和虚拟现实领域.     

基于灵敏度分析的白车身扭转刚度优化

为提高某量产车型白车身(Body in White,BIW)扭转刚度,提出一种基于灵敏度分析的BIW刚度优化方法.深入阐述灵敏度分析原理和车身刚度优化策略,分析该车型车身开发中的37个低成本横向构件的料厚变化对BIW扭转刚度的影响.通过对BIW有限元模型的计算和分析,验证优化策略并对比优化前后的BIW扭转刚度性能.结果表明该方法以较低成本就可达到车身扭转刚度的较大提高.     

Determinants for Stiffness Adjustment Mechanisms

Variable stiffness actuators (VSAs) are a new generation of robotic drives that are developed to enhance the robot’s ability to safely interact with unknown and dynamic environments. Furthermore, stiffness adjsutability can enhance energy efficiency in some particular applications, e.g. periodic motions with different frequencies. To adjust the stiffness, different mechanisms have been implemented in VSAs, each to fulfill the requirements of different applications with certain determinants. This paper explains these determinants and presents a comprehensive framework to systematically analyse performances of different stiffness adjustment mechanisms. First, a classification of different stiffness adjustment mechanisms is presented. Then, characteristics of each class regarding different determinants are evaluated and compared through numerical analysis. This will give additional insights into intrinsic pros and cons of different classes of stiffness adjustment mechanisms that enable a systematic future development of variable stiffness actuators and their applications.     

Geometric analysis of antagonistic stiffness in redundantly actuated parallel mechanisms

Parallel closed-chain mechanical architectures allow for redundant actuation in the force domain. Antagonistic actuation, afforded by this input force redundancy, in conjunction with nonlinear linkage geometry creates an effective stiffness directly analogous to that of a wound metal spring. A general stiffness model for such systems is derived and it is shown that the constitutive relationship between actuation effort and active stiffness is the second-order kinematic constraint set relating the actuation sites. The extent of stiffness modulation possible is then evaluated and necessary conditions for full stiffness modulation are obtained. Configuration-dependent, second-order, geometric singularities affecting stiffness generation are illustrated in terms of a three-degree-of-freedom parallel spherical mechanism example and discussed in relation to their more commonly investigated first-order counterparts that affect force and velocity transmission. Finally, a load distribution methodology for simultaneous motion and stiffness generation is introduced, and it is shown that with hyperredundant actuation the internal load state of the mechanism can be controlled independent of its motion and effective stiffness. © 1993 John Wiley & Sons, Inc.