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。     

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。     

并联踝康复机器人的设计与运动性能评价

对于足下垂和马蹄足内/外翻患者,均需对踝关节进行大量、重复性的康复训练,踝康复机器人是弥补人工康复训练不足、降低医师工作强度的关键设备。将踝关节的解剖结构及运动特性考虑在内,提出并研制■型并联踝康复机器人样机,可保证人-机转动中心近似重合。同时,搭建了作用力/矩信息采集平台,实现踝关节的被动、主动及人机交互训练,提高了机器人、患者及医师之间的交互能力。建立了踝康复机器人的运动学模型,通过求解其位置逆解,得到了机器人的理论工作空间。借助机器人样机的3转动自由度,精确地测量得到踝关节全域范围内的生理运动范围。通过机器人样机的全范围自主运动,记录并获得装置的有效工作空间,机器人有效工作空间小于理论工作空间,有效工作空间的测量具有较大的实际意义。进一步,对比分析机器人样机的有效工作空间和踝关节生理运动范围可知,两者在踝全域运动范围内的吻合度可达95%,较好地保障了踝关节康复所需要的运动空间。基于并联踝康复机器人的量纲一速度雅可比矩阵,对机器人的可操作度、灵巧性等运动学性能进行了分析,结果表明踝康复机器人在工作空间内不存在奇异位形且具有良好的运动学性能。     

新型RR-RURU踝关节康复机器人机构的设计与分析

基于无耦合RR-RURU转动并联机构设计出一种新型踝关节康复机器人。利用螺旋理论对机构进行了运动输出特性分析和自由度计算;推导出机构动平台的姿态方程和角速度方程,讨论了机构满足运动学完全各向同性的结构条件;根据机构分支运动链的运动螺旋系的线性相关性,分析了机构的运动学奇异性并给出其奇异位形;研究了机构的工作空间,得到其可达工作空间的三维图形。绘制出新型踝关节康复机器人的CAD模型,利用临床医学步态分析数据（CGA）得到其输出角位移曲线,并对其动力学进行了虚拟样机仿真。研究结果为该新型踝关节康复机器人的样机试制提供了理论基础。     

五自由度3D打印并联机器人设计及分析

为实现多向3D打印,设计了一种新型五自由度3D打印并联机器人,该机器人具有两个转动自由度和三个平动自由度,其特点是采用铰接的动平台以获得大的工作空间。根据建立的运动学模型,计算了该机器人机构的运动学反解,分析了定姿态位置工作空间和定位置姿态工作空间,用螺旋理论方法建立了速度雅可比矩阵,在此基础上分析了五自由度3D打印并联机器人的奇异性、灵巧性,并进行了运动仿真分析。研究结果表明,所设计的五自由度3D打印并联机器人具有大的位置工作空间和姿态工作空间,该机器人在工作空间内存在奇异位置,通过添加冗余驱动后可以消除奇异位置,并且具有良好的灵巧性,适合多向3D打印。     

双足机器人并联踝关节优化设计

通过对人的踝关节运动机理分析,设计一种新型的双足机器人踝关节并联机构。建立并联机构的参数化模型,并对该模型进行运动学和动力学分析,得出该并联机构的一阶影响矩阵、伸缩运动的驱动力与零力矩点(Zero moment point, ZMP)轨迹关系。由于实际双足机器人行走时踝关节驱动力矩与角速度差异较大,为解决双足机器人步态行走中踝关节的动力学不平衡特性,结合并联机构的运动特点,迭代计算优化并联机构的结构参数,使踝关节两个驱动元件的驱动功率峰值和速度趋于一致。进行双足机器人步行试验研究,结果表明,优化后的并联结构踝关节的驱动功率峰值是串联结构下功率峰值的50 %左右,降低驱动元件的功率设计要求。在满足双足行走时踝关节的运动性能要求下选择小功率的驱动元件,有利于减小关节的体积和质量,减小能耗。     

3-PRS并联机器人概念设计与运动特性研究

提出一类拓扑构型为3-PRS的少自由度并联机器人的概念设计方案。基于旋量理论,研究了所提3-PRS并联机器人的自由度。计算结果表明,所提3-PRS并联机器人为一类具有1移动2转动(1T2R)运动能力的3自由度并联装置。在自由度分析的基础上,进一步构建了3-PRS并联机器人的运动学模型。通过求解闭环矢量运动方程,给出了该类并联机器人的运动学逆解的解析表达。基于所求的运动逆解,构建了考虑机器人几何约束的可达工作空间搜索流程,并据此给出了3-PRS并联机器人的可达工作空间映射。最后,通过参数灵敏度分析,揭示了3-PRS并联机器人主要尺度参数对其可达工作空间的影响规律。研究结果表明,3-PRS并联机器人各尺度参数对其可达工作空间的影响程度不尽一致,在进行机器人尺度综合时,应重点关注动平台半径的影响。     

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。     

3-RRR球面并联机器人运动干涉检查及工作空间研究

为了将3-RRR球面并联机器人用于空间定位跟踪的执行机构,以欧拉角描述机器人末端动平台的姿态,建立机器人位置方程,得到了关节转角的表达式.用几何分析的方法给出了机器人具有姿态空间的必要条件以及各关节必须满足的结构约束.将球面机构的连杆表示为球面上的大圆弧,连杆发生的运动干涉表现为两连杆圆弧的相交,采用球极映射的方法将代表连杆的空间圆弧映射为平面曲线,从而使得空间圆弧求交点问题简化为平面曲线求交.同时,考虑并联机器人在动平台的每个姿态下具有多种位置和每个连杆具有两侧边界的实际情形,提出了判别并联机器人发生运动学干涉的准则和流程.在实例中,以机器人各分支同时具有满足关节结构约束条件的运动学解为目标,探索出机器人姿态空间,进一步对姿态空间每一点进行运动干涉判别,得到了连杆运动干涉在姿态空间的分布.     

基于螺旋理论的3-RPS型并联机器人运动学分析

3-RPS型并联机构具有三个结构对称的支链形式,各支链由一个转动副连接机座、一个球面副与动平台相连接,转动副与球面副由移动副所连接。采用螺旋理论及空间机构构型原理,通过约束形式分析得出该类型并联机器人运动性质,采用矢量分析方法对其运动学正解/反解进行求解,得出该并联机构运动学方程。基于对称非齐次性少自由度并联机构Jacobine矩阵,进一步对该类型并联机器人结构奇异性进行分析与总结。     

Theory of Degrees of Freedom for Parallel Mechanisms with Three Spherical Joints and Its Applications

The analysis of degrees of freedom(DOF) of a moving platform is the fundamental problem in kinematics of parallel mechanism. However, many problems should be considered to correctly perform the DOF cal...     

2URR-SRR-RUPUR并联式腿部康复机器人机构设计与运动性能分析

基于腿部关节康复机理,提出了一种2URR-SRR-RUPUR 4自由度并联式腿部康复机器人,该机构能够实现踝关节的外展和内收运动、膝关节的屈伸运动、髋关节的内旋和外旋运动以及腿部的牵伸运动。基于螺旋理论分析了该机构在一般位型和初始位型下的约束螺旋系和自由度性质。建立了2URR-SRR-RUPUR并联机构的运动学模型,采用闭环矢量法求解机构的运动学逆解并分析了机构的速度雅可比矩阵,在此基础上,对机构的工作空间和奇异性进行研究,得到了机构的工作空间图和奇异位型。基于腿部关节康复运动路径对机构进行轨迹规划,将规划结果采用SolidWorks Motion软件进行运动仿真分析,仿真结果表明,机构运动连续平滑,适合腿部康复运动训练,具备良好的应用潜力。     

并联机器人球铰链的仿真设计

球铰链作为一种能够提供3个自由度的铰链机构,在各种形式的并联机器人中得到了广泛应用.但由于其工作空间较小,限制了机器人的工作空间,从而增大了设计难度.在3-RSS/S型踝关节康复并联机器人的球铰链的设计过程中,提出了一种运用MATLAB和UG软件相结合的仿真设计法,充分利用球铰转动时极限转角不对称的特点,完成了球铰链的设计,并给出了球铰链仿真设计法的一般步骤.     

基于螺旋理论对3-RPS并联机器人运动学分析及仿真

3-RPS型并联机构具有3个结构对称的支链形式,每个支链由一个转动副连接基座,一个球面副与动平台相连接,转动副与球面副由移动副所连接。采用螺旋理论对3-RPS型并联机器人自由度分析,采用反螺旋的方法建立约束雅可比矩阵、运动雅可比矩阵和完整雅可比矩阵,导出了动平台的速度到驱动关节速度之间的映射,从而计算出末端执行器的速度、加速度并进行奇异性分析。基于Matlab SimMechanics软件建立3-RPS型并联机器人仿真模型,进行运动学仿真对比研究,结果表明:动平台的实际输出变化与给定的参考值变化基本相符,验证了该建模方法的正确性。     

一种用于腕关节的球面三自由度并联解耦机构位置分析

根据螺旋理论分析了并联球面解耦机构的自由度，应用空间球面解析理论，讨论了并联球面解耦机构的机构学特点，推导了位置正解及逆解，可以看出其解析形式简洁，便于分析和计算，为动力学和控制研究打下良好的基础。     

基于工业机器人的激光三维成型堆积加工虚拟技术研究

在机器人运动学分析基础上,结合激光加工的特点并利用MATLAB的GUI(图形用户界面)功能设计出多自由度三维激光加工工业机器人虚拟仿真软件,实现3到6关节多自由度机器人的运动仿真,并通过云图给出机器人的工作空间,通过仿真完成基于工业机器人的激光成型堆积工作过程的规划,从而更好的指导现场加工,并在此基础上利用VC++实现了基于OpenGL(开放三维图形开发库)的激光三维成型堆积加工过程的仿真。     

Singularity loci of an orthogonal spherical two-degree-of-freedom parallel mechanism

Singularity analysis plays an important role in the design of robots, especially for parallel robots. In this paper, the direct and inverse kinematics of an orthogonal spherical two-degree-of-freedom parallel mechanism is proposed based on the modified Euler angles. All the singular poses of the mechanism are achieved through the direct kinematic analysis. Self-motions, which are different from the general spherical 5R parallel mechanisms, are also discussed. Singularity loci in the joint space and Cartesian space are plotted according to the Jacobin of the mechanism. Result shows that the singularity loci at the joint space are two circles and one line, whereas at the Cartesian space are a circle.     

Singularity loci of an orthogonal spherical two-degree-of-freedom parallel mechanism

Singularity analysis plays an important role in the design of robots, especially for parallel robots. In this paper, the direct and inverse kinematics of an orthogonal spherical two-degree-of-freedom parallel mechanism is proposed based on the modified Euler angles. All the singular poses of the mechanism are achieved through the direct kinematic analysis. Self-motions, which are different from the general spherical 5R parallel mechanisms, are also discussed. Singularity loci in the joint space and Cartesian space are plotted according to the Jacobin of the mechanism. Result shows that the singularity loci at the joint space are two circles and one line, whereas at the Cartesian space are a circle.