混合驱动柔索并联机器人的设计与分析

为了使柔索并联机器人高效率、大负载、高性能的运动输出,根据并联机器人机构结构综合理论,设计一种新型混合驱动柔索并联机器人机构,给出机构虚拟样机模型,该机构通过混合驱动平面五连杆并联机构驱动柔索牵引末端执行器完成期望轨迹跟踪运动。基于牛顿—欧拉方法,建立混合驱动柔索并联机器人系统的动力学方程,结合实例进行力学分析和数值仿真。结果表明,混合驱动柔索并联机器人机构设计合理,数学模型正确,为混合驱动柔索并联机器人物理样机设计制造和控制系统的设计提供了理论依据。     

柔索驱动并联机器人动力学建模与数值仿真

柔索驱动并联机器人采用柔索代替连杆作为驱动元件,并结合了并联机构和柔索驱动的优点。500 m口径大射电望远镜(Five-hundred meter aperture spherical radio telescope, FAST)粗调系统通过6根索长的协调变化使馈源舱作跟踪射电源的6自由度运动,其工作特点与并联机器人类似,因此可被看作柔索驱动并联机器人。基于此,根据FAST 5 m缩比试验模型,首先应用悬链线解析表达式推导出柔索两端固定时索端拉力与索长之间的关系,用于求解特定长度的驱动柔索对处于某一位姿的馈源舱的作用力。其次,对该舱索系统进行逆运动学分析,采用拉格朗日方程建立柔索驱动并联机器人的逆动力学模型。最后,针对FAST 5 m缩比模型的设计方案进行动力学仿真,数值结果表明该动力学建模是合理的。     

平面结构冗余并联机构的误差敏感度分析

针对一种含闭环支链的平面结构冗余并联机构进行误差敏感度分析。分析了该机构的逆运动学和正运动学。基于矩阵法建立了机构的误差模型,并通过反解、正解结合的方法对该误差模型进行了验证。基于误差模型,得到了评价机构误差敏感度的指标,绘制了各指标在工作空间内的等值线图。基于误差敏感度指标,定义了低误差敏感性工作空间,绘制了低误差敏感性工作空间在工作空间中的分布图。与平面3-RRR并联机构进行了误差敏感度对比分析。结果表明,该机构的低误差敏感性工作空间占比较大,同时可以通过调节其冗余支链不断扩大低误差敏感性工作空间,使机构在大范围空间中保持低误差敏感性。     

混合驱动柔索并联机器人系统集成设计

混合驱动柔索并联机器人是机电高度集成系统,其动态性能由结构系统和控制系统共同决定。为了提高混合驱动柔索并联机器人整体系统的动态性能,并考虑到其结构系统和控制系统的密切耦合关系,对混合驱动柔索并联机器人的结构系统与控制系统进行集成优化设计。描述混合驱动柔索并联机器人系统的结构和运动过程;根据闭环矢量原理和机构的几何特征,对混合驱动柔索并联机器人进行运动学分析;基于Lagrange方程,推导出混合驱动柔索并联机器人的动力学模型;讨论优化过程中涉及的设计变量、约束方程表达式和目标函数,建立混合驱动柔索并联机器人系统的集成优化模型。结合实例,对混合驱动柔索并联机器人系统进行分离优化设计和集成优化设计的数值仿真比较研究,结果表明,集成设计方法能够使系统获得更好的动态性能。     

基于调整步长牛顿法的Stewart并联机构位置正解

针对采用牛顿或拟牛顿迭代算法求解Stewart并联机构接近奇异位姿的位置正解时存在计算结果不收敛以及采用牛顿下山迭代算法求解时间较长的问题,提出了将调整步长牛顿法应用于并联机构位置正解。首先设计基于调整步长牛顿法的Stewart并联机构位置正解流程;然后,采用遗传算法以步长矩阵初值及等比参数为变量,以Stewart并联机构64种极限位姿正解所需迭代步数为目标,得到步长矩阵初值及等比参数最优值。通过数值算例,设置机构杆长绝对误差为0.01mm,对64种极限位姿进行正解,牛顿法与拟牛顿法共6种位姿正解不收敛;牛顿下山法10种位姿正解时间大于2.0ms;调整步长牛顿法正解时间均小于2.0ms。调整步长牛顿法为Stewart并联机构位置正解的实时应用提供了理论指导。     

平面3R操作臂动力学分析

操作臂是搬运机器人的关键部分,机器人作业主要依赖于操作臂的运动.针对采用D-H法建立运动学模型的平面三自由度旋转关节操作臂,在其运动规划基础上应用牛顿-欧拉法求解动力学方程.该方法建立在相邻连杆之间约束力和力矩的分析之上,具有方便直观、易于迭代求解的特点.在求出动力学方程后,将操作臂设计方案初始参数带入方程,验证了方程...     

3-PU*U*型平动并联机构的运动学分析

研究3-PU^*U^*型平动并联机构的运动学分析问题。通过将该机构简化成运动等效的机构模型，得到其位置逆解公式及描述机构输入与输出速度关系的逆雅可比，并进一步对3-PU^*U^*并联机构作业空间的几何性质、机构的运动灵活性进行了分析，给出了尺度参数变化对机构作业空间及运动灵活性的影响规律。分析表明，该机构具有几何形状规则的作业空间及较好的运动灵活性，是一种较为理想的实现三移动操作的并联机构选型。     

一种并联机器人的运动学建模方法的研究

并联机构形式多样，结构复杂，其运动学模型多为非线性方程组，建立和求解往往很复杂，要获得其位置分析封闭解更是具有较大难度。通过数值法建模后，运用连续法利用Matlab编程求解复杂并联机构的运动学问题，具有事半功倍的效果，为并联机器人运动学建模和求解提供了一种有效途径。     

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。     

Kinematic calibration analysis of 3SPS + 1PS bionic parallel test platform for hip joint simulator

As the key component of the parallel hip joint simulator, 3SPS + 1PS bionic parallel test platform owns four degrees of freedom including three rotations and one translation. When the moving platform stays at a given translation position, the parallel manipulator can represent three-dimensional rotating gait motions of the hip joint for the purpose of evaluating the friction characteristics of biological materials. Because of the manufacturing and assembling errors, the actual structure parameters of the parallel manipulator are not more accurate than the theoretical values and its reduced simulation accuracy will bring the uncertain evaluation. So in order to improve the precisions in the design, manufacture and assembly of the parallel manipulator, it is necessary to calibrate the kinematic parameters. Considering the structural characteristics of the parallel manipulator, its error model and the corresponding compensation method are established based on the complete differential-coefficient theory. According to the constant values of two orientation angles, the orientation residual matrix is constructed by adopting the incomplete measurement method and the forward kinematics functions, so its cost function can be defined. The iterative algorithm based on the least square method is applied to identify the structure parameters and obtain their optimal solutions, and then the actual kinematic calibration process is simulated by numerical method. The simulation results show that the comprehensive orientation error after calibration is greatly decreased, and the effectiveness of the calibration method is validated.     

一种基于交叉耦合控制的串联机器人笛卡尔空间轨迹跟踪方法

针对串联机器人在笛卡尔空间轨迹跟踪问题,将交叉耦合策略和机器人运动学结合起来,设计了机器人在笛卡尔空间位置控制中耦合误差的一般性构建方法,进而提出了一种新型脱离动力学模型的控制算法.该算法不仅能保证单个关节的运动稳定,同时还可以保证所有的关节运动协调,使位置误差和耦合误差都收敛到零.最后,设计了基于HIT/DLR灵巧手笛卡尔空间位置控制实验,验证了该方法的有效性.     

基于D-H矩阵的球面5R并联机构误差建模及灵敏度分析

以D-H变换矩阵为建模工具,采用环路增量法,建立了包含杆件D-H参数的球面5R并联机构的误差模型,该模型不仅考虑了机构的结构参数误差,还考虑了由于加工和装配等原因出现的各转动副轴线和球心之间的偏差,使得误差模型更接近于工程实际;根据误差模型进一步计算得到了各从动件运动参数误差以及轴向间隙量的显式函数关系;最后对该机构进行灵敏度分析,研究了各几何误差源对该机构末端执行器位姿误差的影响程度。研究结果为该机构样机的标定、运动学补偿及应用提供了理论基础。      

基于Simulink的二杆机械臂的运动学仿真

机械臂运动学建模是机械臂控制器设计的一个重要环节.本文研究了平面双连杆机械臂动力学建模的问题.建模简单、方便、有效,以便于进行动力学分析和控制问题的研究.同时通过MATLAB中的Simulink组件进行仿真,在此过程中可通过对仿真参数的修改对连杆机构的参数进行优化.     

基于约束的4自由度并联机床的可达工作空间分析

针对一种新型的4—DOF并联机构的结构特点，采用基于逆解计算的网格法对其工作空间求解的算法进行了详细的分析，并利用Matlab编制了相应的程序，以Matlab图的形式描绘了几种情况下的工作空间区域，并对此进行了分析。     

气动人工肌肉并联机器人平台

提出一种基于气动人工肌肉的新型3自由度并联机器人平台,该机器人平台结构简单,具有3转动自由度。在对该新型3自由度并联机器人平台运动学和动力学特性理论分析的基础上,采用模糊变结构控制策略设计了新型3自由度并联机器人平台的两层滑模模糊变结构控制器,并建立了试验系统,开展了新型3自由度并联机器人平台的试验研究,其最大位置跟踪误差0．3 mm,当气源压力改变后,最大跟踪误差仍小于0．6 mm。试验结果表明,采用气动人工肌肉作为驱动装置设计的3自由度并联机器人平台是可行的,两层滑模模糊变结构控制策略对于该系统是适合的。     

运用LMBP神经网络的黄瓜采摘机械手定位误差补偿算法

考虑到黄瓜采摘机械手结构参数的微小偏差可能会对末端定位精度造成较大的影响,因此,利用高精度三坐标测量仪P latinum FaroArm对机械手的结构参数进行了标定,建立了基于修正参数的正运动学模型,在此基础上对理想逆运动学进行误差分析,发现腰关节的角度误差远远大于位置编码器的精度。因此,提出采用LMBP神经网络算法求解修正后的关节角度,并将网络输出与理想逆运动学结合起来,达到补偿机械手定位精度的目的。为了验证算法的可行性,进行了仿真试验,结果表明:LMBP神经网络输出角度误差的最大值约为0.006 rad,能将末端位置误差从10.57mm补偿到3.77mm,大大提高了黄瓜采摘机械手的定位精度。     

基于虚拟样机技术的并联机器人机构运动仿真

以先进制造中的机器人工作平台为应用背景,研究一种具有四个自由度的新型并联机器人机构。对这种机构的结构作了简要介绍,运用虚拟样机技术,在SolidWorks软件平台上构建该并联机器人机构模型。按照机构的结构几何尺寸,利用SolidWorks创建零件并进行虚拟样机装配,直接在运动仿真模块COSMOSMotion中,通过设定原动件运动参数进行运动仿真,并对仿真结果进行分析。分析结果证明完全可以运用SolidWorks软件完成并联机构的虚拟样机三维实体建模和运动特性分析,为并联机构的实际样机的试制奠定了基础。     

Kinematics and Dynamics Hessian Matrices of Manipulators Based on Screw Theory

The complexity of the kinematics and dynamics of a manipulator makes it necessary to simplify the modeling process.However,the traditional representations cannot achieve this because of the absence of coordinate invariance.Therefore,the coordinate invariant method is an important research issue.First,the rigid-body acceleration,the time derivative of the twist,is proved to be a screw,and its physical meaning is explained.Based on the twist and the rigid-body acceleration,the acceleration of the end-effector is expressed as a linear-bilinear form,and the kinematics Hessian matrix of the manipulator(represented by Lie bracket)is deduced.Further,Newton-Euler’s equation is rewritten as a linear-bilinear form,from which the dynamics Hessian matrix of a rigid body is obtained.The formulae and the dynamics Hessian matrix are proved to be coordinate invariant.Referring to the principle of virtual work,the dynamics Hessian matrix of the parallel manipulator is gotten and the detailed dynamic model is derived.An index of dynamical coupling based on dynamics Hessian matrix is presented.In the end,a foldable parallel manipulator is taken as an example to validate the deduced kinematics and dynamics formulae.The screw theory based method can simplify the kinematics and dynamics of a manipulator,also the corresponding dynamics Hessian matrix can be used to evaluate the dynamical coupling of a manipulator.     

基于ADAMS的一种新型六自由度并联机构的参数分析与仿真

通过ADAMS虚拟样机的试验和测试,可以在研究机构性能的同时发现设计中存在的问题并提出改进方法.为了充分阐述3-PRPS并联机构的运动学本质特性,利用线几何的有效方法对机构模型运动学进行了分析,求解了逆运动学关系,并应用ADAMS软件进行运动学仿真分析.其中通过定义已经建立的实体模型参数变量,合理规划选取动平台的运动轨...     

混合型4自由度并联机构及其运动学建模

提出一种混合型４自由度并联平台机构，该机构的动平台能够实现两个方向的移动以及绕两个方向轴线的转动。研究了该机构的运动学建模方法，给出了运动学正、逆解。基于本文所提出的４自由度并联机构已成功地研制出一台五坐标并联机床。