可变胞并联机械臂样机的研制与误差分析

提出了一种通过驱动副锁定组合实现变胞的超冗余并联机械臂,其基础构型是3-PUPS并联机构,对机械臂进行了误差建模与分析,并通过标定系统测量了机械臂实验样机的定位误差。首先,提出了通过对3-PUPS机构各驱动副的组合锁定实现机械臂变胞的设计思路,从而使机械臂可以根据任务需求改变自身构型和性能;然后,采用含误差源的闭环矢量回路法,建立了机械臂3-PUPS机构的误差传递模型,并以此为基础,分析了机械臂的各误差源对其运动平台输出误差的影响规律;接着,根据各误差源对机械臂的输出误差影响程度,确定了各主要运动副配合零件的加工精度等级及公差,在此基础上研制出机械臂的实验样机;最后,采用一套高精度的工业机器人标定系统对机械臂的实验样机进行了定位误差测量,实验表明:机械臂的运动平台的位置误差均在0.005~0.038mm之间,姿态误差均在0.010~0.044°之间,位置误差比通用式工业机器人的位置重复定位精度0.05mm略有提高,姿态误差与通用式工业机器人的姿态重复定位精度0.045°相当。     

一种弱耦合5-DOF抛磨机械臂的设计

为了实现对风机叶片的抛磨加工，提出一种弱耦合5-DOF并联机械臂，它采用2-UPS+((2-UPS)+U)PU并联机构，对机械臂的机构进行了分析与设计。首先，采用闭环矢量链建立了机械臂的位置模型，并绘制了工作空间分布图。接着，建立了机械臂的运动学传递模型，基于雅可比矩阵结构对机械臂的解耦性进行了分析，并通过定义运动灵活性评价指标，揭示了机械臂的尺寸参数对其运动灵活性影响规律。然后，建立了机械臂的静力学传递模型，通过定义静力承载能力评价指标，揭示了机械臂的尺寸参数对其静力承载能力影响规律。最后，应用基于性能评价指标的蒙特卡罗法对机械臂的尺寸参数进行了概率分析，以概率分析数据为基础对尺寸参数进行了优选。确定了一组最优尺寸参数值：固定平台上分支2万向副分布尺寸为250mm、分支3万向副分布尺寸为450mm、分支1的支链4万向副分布尺寸为300mm、分支1的支链5万向副分布尺寸为350mm；分支1的支链4末端球面副与分支1轴线距离为70mm、分支1的支链5末端球面副与分支1轴线距离为80mm；运动平台上分支2末端球面副分布尺寸为100mm、分支3末端球面副分布尺寸为100mm。采用上述优选尺寸...     

基于改进脊线法的超冗余机器臂逆运动学求解

针对传统机器人尺寸大、自由度少,无法在狭窄空间内作业的问题,设计了一种基于新型球形关节串联而成超冗余机械臂,每个球形关节具有两个正交旋转自由度。因超冗余机械臂自由度数远多于传统机器人,无法用D-H法对其进行逆运动学求解,本文考虑机械臂运动过程中障碍物的影响,对脊线法进行改进,提出基于改进脊线法的超冗余机械臂逆运动学求解算法,利用Matlab对空间脊线及超冗余机械臂逆运动学进行数值仿真。研究结果表明,该算法考虑了障碍物的影响,改进了超冗余机械臂逆运动学脊线法,保证了超冗余机械臂的灵活性。     

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。     

基于自运动的7-DOF机械臂逆运动学研究

针对一种7自由度典型机械臂构型的逆运动学问题,根据机构特点和自运动性质提出一种解析算法。首先对该冗余机械臂的自运动性质进行分析,其为平面四杆运动。采用冗余角对自运动进行描述,并分析机械臂末端位置和杆长对自运动的运动形式和冗余角变化范围的影响。然后基于自运动特性,将冗余角作为一个约束条件,结合位姿分离法,求出该机械臂的逆运动学解析算法。最后通过数值算例进行验证。该方法针对某一特定位姿求出所有的理论逆解。相对于传统的数值解法,该方法不存在理论误差,相邻位姿点相互独立,不存在误差积累。     

七自由度机械臂运动学分析

针对神经网络和梯度投影法求解七自由度机械臂逆运动学存在的可靠性差及累积误差等问题,充分考虑机械臂构型特点和自运动特性,提出一种几何法和解析法相结合的冗余机械臂逆运动学新方法并进行仿真验证,通过位置误差和姿态误差来衡量该方法的可行性。实验结果表明:采用该方法对机械臂逆运动学进行求解,机械臂末端位置最大误差不超过0.015mm,平均运行时间为0.455ms,满足实时控制要求,为具有横滚转动副机械臂关节角度求解提供了一种新的思路。     

3-UPS/S并联机构运动学分析及机构优化设计

对3-UPS/S并联机构进行了运动学分析和静力学分析,得到了该机构的运动雅可比矩阵和静力学雅可比矩阵;采用离散的方法对该机构的工作空间进行了分析;对该机构进行了基于给定工作空间的尺寸参数优化,在优化的过程中考虑了机构的奇异性、关节约束和机构几何尺寸约束等条件.     

一种四自由度操作臂机构设计

一种用于GIS设备检测的操作臂的机构设计，首先依据机构参数以及全局灵活性指标比较了各种关节构型组合的优缺点，从而得出了适合于这里的机械臂的构型方案，然后以力可操作度，加速度性能，灵活性为目标函数，建立了优化求解机械臂运动学尺寸的数学模型，最终通过MATLAB提供的非线性优化函数，完成机械臂前两个杆件尺度优化，，并仿真计算操作臂的机构性能指标。虽然是针对于任务需求设计的，但对于通用的四自由度机器人的设计，有一定的参考价值。     

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...     

一种冗余自由度机械臂逆运动学解析算法

针对7自由度机械臂逆运动学求解问题,在考虑了空间构型的复杂性和冗余自由度机械臂自运动流形的基础上,提出了一种逆运动学的位置解析算法,即参照"自由度模块化"的概念,进而将仿人机械臂的7自由度划分为两个4自由度的模块化单元。通过控制自由度模块化单元,将复杂的空间构型转化为平面构型,减少了计算的复杂性;同时基于"锚点"和"虚拟连杆"的概念,实现冗余自由度机械臂的位姿参数化,从而实现了机械臂逆运动学快速求解。     

基于工作空间分析的9自由度超冗余串联机械臂构型优化

提出基于工作空间分析解决超冗余串联机械臂构型选择问题的方法。首先,采用正态分布对求取机器人工作空间的蒙特卡洛法进行改进。用归一化可操作度指标分析机械臂运动的灵活性,用数值仿真的方法得到了最大可操作度值与随机关节角组合的数量之间的关系,提出求取灵活工作空间的算法。其次,基于得到的工作空间,提出一种体元化算法求取工作空间的体积,寻找到工作空间的边界部分和非边界部分,通过对边界部分的不断细化,降低了体积求取误差。然后,分析多自由度串联机械臂构型设计方法,针对9自由度超冗余串联机械臂,确定出了36种待选择的构型方案。仿真分析9自由度超冗余串联机械臂的工作空间,在待选构型中选取了一组最优构型。结果表明：改进的蒙特卡洛法生成了精确的工作空间;体积求取算法效率较高,相对误差小于1%;所选构型的工作空间指标优于已研制的构型,其中可达工作空间体积提高了26.49%,灵活工作空间体积提高了36.63%。     

面向聚变堆维护的重载机械臂CMOR运动学算法设计及仿真

CMOR是一种应用于未来聚变堆部件维护的9自由度冗余重载机械臂系统首先介绍了重载机械臂构型,利用D-H法建立冗余重载机械臂坐标系,对机械臂的正运动学和逆运动学进行求解并在Matlab完成仿真;然后基于蒙特卡罗法在Matlab中计算了机械臂的工作空间,仿真结果显示可达空间满足±45°要求;最后针对重载臂稳定运动要求,对机...     

基于主成分分析法的机械臂运动灵活性性能综合评价

在机械臂运动灵活性性能评价中,表示机械臂灵活性的指标众多,而不同指标间往往存在不同程度的相关性,其中有些相关性非常显著,这使它们提供的信息有可能发生重叠。运用主成分分析综合处理可以产生新的指标,而这些新的指标彼此互补相关又能综合反映机械臂灵活性性能的情况。通过应用主成分分析逐步降维综合处理的特性对同一构型不同尺度的平面2R和三种不同构型的空间3R机械臂运动灵活性性能进行综合评价,得到各种运动灵活性指标之间的相关性。分析结果表明,平面2R和PUMA型空间3R机械臂的5个单一灵活性指标正相关,优劣变化趋势相同,可以用1个综合灵活性性能指标代表5个单一性能指标的信息。其他两种空间3R机械臂5个单一灵活性指标有正相关,有负相关,可用1个变量代表机械臂各向同性指标的信息,1个变量代表机械臂运动能力指标的信息。     

3-SPR并联机构的隔振性能分析验证

对航天器或者雷达天线进行隔振是减少其受到振动载荷的有效方法.采用一种基于3-SPR并联机构的稳定平台进行主动隔振.建立上平台坐标系、下平台坐标系、全局坐标系,分析推导3个坐标系的姿态变换矩阵,将3-SPR并联机构作为稳定平台进行运动学和静力学特性分析,建立包含下平台和上平台同时运动的运动学公式及其静力平衡方程和静力传递...     

基于脊线自修正的蛇形机械臂逆运动学求解

绳索驱动的蛇形机械臂具有超冗余的运动特性,提高了自身的灵活性及避障能力。但由于机械臂存在大量的自由度,这使得其逆运动学求解变得非常复杂,导致难以实现实时运动规划。因此,文中提出了一种新型的蛇形机械臂逆运动学求解方法,通过优化脊线及关节角度求解,实现了机械臂高效和实时的运动规划。首先,搭建了蛇形机械臂运动学模型,建立了蛇形机械臂关节空间与工作空间的映射关系;之后,提出了基于多种群蚁群优化的参考脊线求解策略,并设计了移位修正法确定多任务点脊线的空间构型,减少了脊线复杂求解的计算。此外,通过考虑拟合信息和关节约束,设计了一种结合并行趋近式规则的关节优化调整方法,推导出了蛇形机械臂的关节角度,实现了关节的连续性变化。结果表明：所提出的逆运动学求解方法可以有效降低计算复杂度,保证关节角度的有效性和连续性,以及末端位姿信息的精确性。     

下肢康复机器人的静力学分析及结构参数设计

下肢康复机器人是具有自动化功能的康复治疗设备,患者在科学合理的康复训练条件下,可使其下肢的运动功能得到良好的恢复。为了增大下肢康复机器人的康复训练工作空间和承载能力,对康复机器人的静力学分析尤为重要。提出了一种以3-UPS并联机构作为机构原型的下肢康复机器人,基于虚功原理,建立了下肢康复机器人驱动力和输出力的静力学方程,定义了静力学性能评价指标并绘制了评价指标分布图,分析了结构参数与静力评价指标之间的关系,确定结构参数对静力学性能的影响情况,并基于结构参数设计了下肢康复机器人。分析结果为下肢康复机器人的进一步分析研究奠定了基础。     

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。     

基于四面体构型的冗余并联机构的运动学分析

针对目前并联机构在工程应用中暴露出的灵活性差、关节误差大、运动学正解模型强非线性耦合等现状,提出一种四面体构型的新型冗余并联机构。运用螺旋理论分析机构的自由度和奇异特性,运用拓扑理论定量地给出机构的耦合特性,运用三点法推导机构的运动学正解,并通过求解约束方程的最小范数解对误差进行补偿。结果表明,该并联机构的运动学性能优越。研究结果为四面体构型的冗余并联机构的进一步稳定、实时、精确控制提供了有力的条件。     

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。     

冗余机械臂逆运动学问题的多策略贪婪蜂群求解

为了提高冗余机械臂逆运动学问题求解的位置精度和姿态精度,提出了基于多策略贪婪蜂群算法的求解方法。介绍了KUKA LBR iiwa七自由度冗余机械臂构型,推导了机械臂正运动学的齐次变换矩阵,以减小机械臂末端执行器位置误差和姿态误差为目标建立了优化模型。介绍了标准人工蜂群算法原理并分析了算法存在的缺陷,优化了能够提高蜜蜂多样性的跟随蜂选择策略,以提高跟随蜂局部搜索能力为目的给定了3种位置更新策略,将新算法命名为多策略贪婪蜂群算法。将新蜂群算法应用于逆运动学求解,经仿真验证可知,多策略贪婪蜂群算法的求解质量和求解速度均好于标准蜂群算法,且多策略贪婪蜂群算法在连续多个位姿点逆运动学求解中也具有较高精度,以上结果证明了多策略贪婪蜂群算法在机械臂逆运动学求解中的优越性。