7自由度冗余绳驱动机械臂运动分析及仿真

针对传统机械臂负载自重比小、臂身惯量大、人机交互安全性弱等问题,对绳驱动机械臂的结构、绳驱关节耦合、冗余运动学等方面进行了研究,创新设计了一种新型7自由度冗余绳驱动机械臂。采用绳索间接驱动前端4个关节自由度,作为位置控制;采用电机直接驱动腕部关节3个自由度,作为姿态控制。利用绳索将驱动力从基座电机传递至机械臂关节处,实现驱动机构后置;对绳驱关节耦合问题进行分析,建立了电机-关节耦合映射关系;利用位姿分离方式,结合加权最小范数法,进行机械臂逆运动学冗余位置求解。仿真结果表明:耦合映射关系建立正确,冗余运动学求解准确高效,为绳驱机械臂结构优化、动力学建模奠定了基础。     

仿人7自由度机械臂位置层面轨迹规划研究

仿人7自由度机械臂作为一种特殊结构的冗余自由度机器人,具有更好的运动学性能.为了简化仿人机械臂轨迹规划的计算量,从仿人机械臂的逆运动算法入手,讨论了位置层面的仿人机械臂逆运动计算方法,并在轨迹规划中采用定时插补和定距插补的方法,通过位置层面逆解中加入机器人运动的速度和加速度等信息,实现了在位置层面上对仿人7自由度机器人关节空间的全方位运动规划.     

绳驱超冗余机械臂减磨设计与实验研究

以空间机械臂为载体的在轨服务技术已经成为航天领域的研究热点,绳驱超冗余机械臂相比于传统的空间机械臂,因具有灵活柔顺的构型和狭小空间操作能力,已经成为未来复杂航天任务需求的重要潜在工具。针对绳驱超冗余机械臂传动过程中因接触应力大、传递路径长从而导致的传动摩擦大、传动效率低等问题,提出了一种具有低摩擦特性的绳驱超冗余机械臂新结构,通过对传动结构优化以降低绳索传动摩擦磨损,从而提高机械臂整体性能。设计搭建绳索传动摩擦磨损试验台对绳索传动过程摩擦系数和磨损量进行实验研究,分别利用布鲁克UMT Tribo Lab多功能摩擦磨损试验机测定绳索摩擦系数和白光干涉仪观测绳索表面磨损轮廓,结果表明优化后的结构能够有效降低绳索传动摩擦系数以及减小绳索磨损量,可以提高绳索的传动效率;进一步设计搭建机械臂实验样机开展多关节协同重复运动实验,关节经过500次重复运动实验的结果表明,改进后的机械臂系统关节运动能力正常,绳索传动正常,证实了所提减磨优化设计的合理有效性。     

多自由度机械臂运动控制系统的设计与仿真

设计了一种五自由度链式结构的机械臂,其运动控制器采用两级控制方式。上位PC机负责整个系统的管理、运动学计算、轨迹规划、通讯等;下位机采用TI公司的TMS2407DSP作为控制核心,负责对运动控制系统进行速度控制、位置反馈、PWM波的输出、事件中断管理等。利用MATLAB和ADAMS软件对单关节运动控制系统进行了仿真。     

气动软体机械臂模块变刚度性能分析

根据现有的气动软体机械臂的特征,为解决软体机械臂存在的结构刚度不足的问题,提出了一种软体机械臂模块。该模块采用耦合变刚度原理,由上下两端连接板、位于两连接板之间的外部弯曲硅胶气囊和中部变刚度硅胶气囊组成,可实现连续软体机械臂的模块化和变刚度,提升软体机械臂的负载能力。基于硅胶的超弹性材料特征,建立了新型软体机械臂模块的非线性力学模型并通过该模型完成了变刚度性能分析。在充分考虑各硅胶气囊的驱动力矩和模块的弯曲运动的基础上,设计了静态拉伸试验,对模块的变刚度气囊通过施加冗余驱动力矩来实现变刚度的效果进行了分析。通过试验与论证,总结出了模块充气压强与模块结构的刚度之间的变化规律,为气动软体机械臂刚度的计算和这种模块的实际应用提供了理论支持。     

基于旋量理论的7自由度机械臂运动学建模与分析

机械臂模仿人手臂的7自由度会拥有冗余自由度.基于旋量理论计算7自由度机械臂的正向运动学解,从数值上验证矩阵指数先分块展开比直接泰勒展开准确.用Newton-Raphson数值迭代法求逆解.通过编写Matlab程序对正逆解互相验证.研究发现逆解的求解有适用范围,较之传统的D-H法,使用0螺距的螺旋轴,会使建模更加简洁.     

六自由度水下机械臂设计与分析

为了解决有缆水下机器人(ROV)上搭载的机械臂作业范围不大、水下作业能力有限的问题,对六自由度(6-DOF)水下机械臂进行了研究,设计了一种带有平动开合功能夹持手爪的六自由度水下机械臂,实现了主手对从手的关节驱动器(液压缸或摆动缸)进行位置控制的目的。首先,基于多目标优化规则对夹持手爪进行了计算,求解出液压缸最短行程在20 mm时即可实现手爪的120 mm平动开合范围目标;然后,建立了六自由度机械臂活动关节的D-H数学模型,对机械臂的正、逆运动学进行了求解;最后,采用Solid works软件对设计的机械臂进行了干涉检查,并利用MATLAB软件仿真分析了6个活动关节的运动轨迹,采用蒙特卡洛法求解了机械臂的工作空间范围,并进行了样机测试和水下实验。研究结果表明：机械臂的仿真模型位姿与三维模型位姿一致,机械臂的6个活动关节速度和加速度曲线都是光滑平顺的、无突变点,不存在超调现象;设计的六自由度水下机械臂夹持手爪可以按照预定指令进行120 mm开合运动,ROV上的从机械臂能够跟随主机械臂运动,加减速性能良好,各关节转角范围满足设计要求,可为下一步机械臂的结构优化奠定基础。     

绳驱动机械臂动力学建模及ADAMS仿真研究

针对绳的引入造成绳驱动机械臂动力学建模较难获取的问题,考虑绳的单向受力性,研究了绳对机械臂动力学模型的影响、绳子对所有经过的连杆之间的受力情况、预紧力对连杆受力及驱动力矩的影响等方面。在传统刚性机械臂动力学模型基础上进行了归纳,分析了绳子引入对机械臂受力造成的影响;基于递推形式的牛顿欧拉公式得到了完整的绳驱动机械臂动力学模型,并在此基础上分析了施加预紧力对连杆受力及驱动力矩造成的影响;利用ADAMS对三自由度串联绳驱动机械臂进行了仿真。仿真结果表明:理论驱动力矩与仿真力矩基本吻合,说明所建串联绳驱动机械臂动力学模型是正确的;预紧力的施加只会影响各连杆之间的相互作用力,不会改变驱动连杆所需的驱动力矩。     

一种打磨机械臂的静刚度建模与实验

设计出一种采用(U+UPS)P+UPS并联机构的打磨3-DOF机械臂。运用子结构拆分和叠加思想,将机械臂手腕的位姿变形因素拆分为只考虑各支链拉/压变形、只考虑UP支链扭转变形、只考虑UP支链弯曲变形3个主要影响因素。通过基于矢量回路的虚功原理和结构矩阵建立3个主要影响因素的刚度模型,并根据各支链的结构特点定义了支链内各部件变形系数。通过叠加原理将各影响因素的刚度模型叠加整合为机械臂的整体刚度模型。研制出机械臂的实验样机本体,采用一套高精度机器人刚度实验系统对机械臂实验样机进行了刚度标定。实验结果表明：机械臂实验样机的位置变形实测值与理论值之间偏差均小于3μm,姿态变形实测值与理论值之间偏差均小于0.05°,机械臂实验样机的变形均在合理范围之内。     

绳驱动仿人机器人下肢设计与仿真分析

仿照人体骨骼肌驱动,提出一种基于绳索驱动的新型拮抗驱动方式,采用一对电机带动绳索的方式对关节进行冗余驱动;基于绳索驱动方式完成仿人机器人下肢结构的设计;在给定的机器人运动轨迹下得出绳长的变化规律;利用逆动力学分析求解出机器人的关节力矩,采用优化方法求解出驱动关节两侧绳索的最优驱动力;最后利用ADAMS软件对绳索驱动机器人下肢进行动力学仿真,仿真结果验证了绳索长度驱动的可行性以及拉力计算的正确性。对于仿人机器人以及康复机器人的设计具有一定的借鉴意义。     

仿人机械臂构型综合与臂姿规划

仿人机械臂是当今机器人研究的前沿课题。随着社会需求与科学技术的发展,特别是服务型人形机器人的商品化与市场化,仿人机械臂的拟人特性成了机器人研究的新要求。仿人机械臂的拟人特性主要包含两方面：结构拟人化和运动拟人化。结构拟人化使机械臂外观与结构更接近人臂,而当机械臂看起来与人自身形状—样时,它就很容易引起人类操作者的“共鸣”,从而增强其心理舒适度。运动拟人化使机械臂如同人臂—样工作,人类作为自然进化的高等生物,其运动机理必然有着独特的优越性,以人臂的运动机理控制机械臂的运动必然将提高其效率。     

六自由度机械臂运动学分析与仿真

针对安川弧焊工业机器人手臂MOTOMAN-MA1400的构型特点,采用D-H法建立了机械臂的连杆坐标系,得到了以关节角度为变量的正运动学方程,利用Matlab进行正逆运动学计算以及机械臂末端点的轨迹规划。为了验证正逆运动学模型的正确性,直观地观察机械臂各部分运动情况,采用Pro-E建立了机械臂的三维实体模型。将角度变量值导入模型,开发了机械臂运动仿真平台。仿真结果与理论计算一致,从而验证了算法的正确性,并完成了机械臂的运动仿真,为机械臂在矿山领域的实际应用提供了理论参考。     

冗余自由度仿人机械臂自适应迭代学习控制研究

在深入研究自适应迭代学习控制理论、七自由度乒乓球机械臂动力学模型及轨迹规划的基础上,提出将改进后的自适应迭代学习控制算法运用到带有重复时变干扰的冗余自由度机械臂上。该控制系统旨在实现两大目标：一是使乒乓球机械臂准确快速地跟踪参考轨迹并在末点达到指定的击球速度;二是引入饱和函数减小输入转矩的抖振。Lyapunov理论分析及MATLAB仿真验证了整个控制系统的有效性：当迭代次数增加时,跟踪误差关于有限时间区间内一致收敛到零;加快迭代学习的收敛速度,并消除抖振。     

减速机及螺栓刚度对机械臂动态性能的影响

串联型6自由度机械臂末端刚度比较差,在高速运动过程中会出现严重的抖动问题,尤其是在起停阶段该问题更加突出。设计阶段为了避免机械臂出现抖动问题,需要对机械臂的动态性能进行准确地计算和优化。文中将减速机的扭转刚度和螺栓刚度加入到仿真分析中,采用Hyperworks软件建立5个仿真模型,用有限元软件ABAQUS对仿真模型进行求解,获取机械臂的前4阶固有频率和振型。通过振动测试获取机械臂整机的前4阶固有频率和仿真分析结果进行对比,找出准确计算机械臂动态性能的有效方法,并以此仿真方法找出结构刚度的薄弱环节,完成机械臂的结构优化及减速机的选型工作,缩短研发周期,降低设计开发成本。     

一种串联机械臂关节空间刚度最优路径求解方法

串联机械臂关节空间路径求解是机器人研究领域的热点。然而,现有研究往往欠虑串联机械臂自身弱刚性,致使串联机械臂在给定操作空间路径下关节空间路径选择不当,影响运动精度。为提升串联机械臂在实际工作时刚度,提出一种串联机械臂关节空间刚度最优路径求解方法。首先基于Levenberg-Marquardt(LM)算法求取串联机械臂关节空间路径可行解,进而通过定义串联机械臂刚度性能指标,以刚度性能最大为目标,实现串联机械臂关节空间刚度最优路径求解,最后在6轴串联机械臂上进行方法验证。结果表明,面向相同操作空间路径,提出方法得到的串联机械臂关节空间路径刚度与基于连续迭代的数值法相比提高了50%以上,证明提出方法可有效提升给定操作空间路径下串联机械臂运动刚度,对提高串联机械臂运动精度,抑制变形和颤振,进而实现串联机械臂在机械加工领域的推广与应用具有重要意义。     

达点臂姿预测指标与机械臂仿人运动

从弹性系数的影响因素出发,完善最小势能指标。基于大量试验,得到影响扭簧系数的因素为主观因素和客观因素。标准化客观因素,用聚类分析方法对主观因素分类,利用多元线性回归方法得到弹性系数与目标点之间的具体数学表达通式。用最小势能指标预测人臂达点臂姿,验证弹性系数,并与其他指标的预测结果对比。结果显示基于提出的弹性系数的最小势能指标能够准确预测更多人的臂姿。对机械臂进行仿人运动规划试验,证明最小势能指标的实用性。     

基于运动性能分析的仿人机械臂尺度优化

针对多关节串联机构耦合影响末端执行器运动性能的问题,分析了串并混联机构的运动特性,提出了实现可视化设计的多参数平面模型。基于旋量理论,分别建立了串联、并联关节的运动传递矩阵,并设定了相应性能指标。在此基础上,根据多参数平面模型,通过三维可视化图形,进一步揭示了参数尺度、关节转角空间、性能指标之间的耦合关系,最终确定了参数取值、关节的优质转角范围和指标分布情况。优化结果表明：肩关节、腕关节的全域性能指标分别为0.78、0.67,肘关节的全域条件数为2.38。该混联构型具有与人体手臂关节相类似的功能,可充分发挥串联、并联机构的综合优势。     

机械臂柔性关节SEA设计与仿真分析

串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator,SEA)可以有效提高关节的柔顺特性,但是也存在受力与形变强非线性的不足。为了提高SEA的线性特性,建立了双圆环间衔接曲梁模型,利用轴截面原点正应力公式求取梁模型不同点的应力公式,设计并验证了符合柔性关节的SEA;其次,对SEA的模型进行仿真分析,取7个点对其进行模型和实际的应力比较;最后,利用ANSYS对其进行强度仿真分析,分析各关节受力和变形,有效保证了SEA的线性特性,从而有效提高了柔性关节的力学特性。     

六自由度机械臂运动学分析与仿真研究

针对六自由度机械手臂的运动学分析问题及其工作可靠性的探究,设计开发了一套基于OpenGL的六自由度机械臂仿真软件.采用D-H参数法构建机械臂模型,对六自由度机械手臂进行了正、逆运动学分析,求解得到机械臂的正逆解.研究设计了机械臂的空间直线和圆弧插补算法,实现了机械臂在三维空间中按照目标轨迹的可靠运动.在VS2017软件...     

柔性机械臂动力学建模理论与实验研究进展

总结了国内外学者在柔性机械臂建模理论及其相关实验等方面的最新研究进展,系统地阐述了柔性机械臂的变形描述方法、关节动力学建模、柔性机械臂系统的动力学建模方法、臂杆的刚化和软化效应、柔性机械臂实验方法等方面的研究现状,提出了现阶段机械臂动力学理论与实验研究存在的问题与不足,预测了柔性机械臂动力学研究的主要方向和核心技术,详细分析了柔性机械臂最佳模态阶数选取、基于动力学特性的柔性机械臂系统参数优化、关节驱动规律的确定、柔性机械臂在高速运转下刚化与软化效应、柔性机械臂关节精细建模、空间柔性机械臂超低速运行时爬行现象等待解决的关键技术问题。