3-RRRT并联机器人位置正向求解研究

研究一种3-RRRT型并联机器人机构的运动学正向求解方法。根据3-RRRT型并联机器人机构特点以及关节运动的取值范围,提出了以并联机器人支链中支杆的方向余弦和动平台绝对位置坐标为系统的广义坐标的方法,并详细地推导了3-RRRT型并联机器人运动学模型,通过进一步消除中间变量的方法最终获得了易于正、逆运动学求解的只包含3个驱动关节坐标与动平台3个绝对位置坐标的约束方程组。最后,运用基于Moore—Penwse广义逆的牛顿迭代格式编制了MATLAB运动学正向求解程序,并进行了运动学正向求解数值仿真,结果表明求解程序快速有效。     

基于ADAMS的并联机器人运动学和动力学仿真

应用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS,建立了Stewart型并联机构的虚拟样机模型,包括对并联机器人各部件的简化方法、在ADAMS中的模型描述及仿真过程控制,并利用该虚拟样机模型对并联机器人进行了运动学和动力学分析。为并联机器人系统的设计、制造和模拟运动作业提供了理论依据和主要参数。实现了在计算机上通过使用CAE仿真软件朱对并联机器人的运动和动力性能进行分析,为并联机器人的设计提供了一套有效的分析方法。     

一种多自由度蟑螂机器人的运动学分析

建立了仿生蟑螂机器人在三腿支撑状态下的等效并联模型,运用旋量理论和指数积公式,对其运动学进行了分析;提出了利用Paden-Kahan子问题法数值求解机器人六自由度腿的关节角位移的逆运动学方法,前向运动学的求解首先根据机体的自然约束建立两条描述前向运动学的支路,然后利用其等价关系,结合指数积公式推导得到机体位姿;在Matlab下对提出的运动学算法进行了验证,为后续的运动学分析和轨迹规划奠定了基础。     

绳驱动并联踝关节康复机构设计及运动性能分析

交通事故和中风后的神经损伤会导致下肢伤残,使得患者无法完成抬脚之类的简单动作.为了帮助患者恢复运动能力,提出一种适用于脚踝康复的3自由度绳驱动并联机构.首先介绍了绳驱动踝关节康复机构的结构.其次利用牛顿-拉夫逊迭代法和封闭矢量环法计算了位姿正反解,建立了速度雅可比矩阵.通过对驱动绳索的张力进行分析,优化了张力分布并求解了机构的工作空间.最后,基于雅可比矩阵分析了机构的运动性能.结果表明在规定的工作空间内机构无奇异点,有良好的运动灵巧性和刚度性能.而且设计的等效球面副和动平台使得机构的转动中心较好地与踝关节的转动中心相重合,相比现存的踝关节康复机器人更具优势.综上,设计的机构适合脚踝康复训练.     

一种混合驱动柔索并联仿生眼的轨迹规划

在与眼球运动相关的解剖学和运动学的基础上,设计了一种符合Listing定理的基于混合驱动柔索并联机构的3自由度机器人仿生眼.通过矢量封闭方法建立了逆运动学模型,求解出柔索并联机器人的雅可比矩阵和结构矩阵.利用达朗贝尔定理建立柔索并联机器人的力矩平衡方程组,采用广义逆矩阵的相关理论,以柔索张力矢量的2范数最小为目标进行张力优化.用蒙特卡洛方法计算出仿生眼球可达工作空间.最后,在Simulink环境下进行仿真,规划运动轨迹并得到柔索并联机器人运动特性的仿真结果,证明了本文设计的机构符合Listing定理.结果表明:基于混合驱动柔索并联机构的机器人仿生眼结构合理,数学模型正确.     

基于神经网络的并联3自由度机器人位置正解

并联机器人位置正解是机器人运动学中难点问题之一，常规求解方法比较复杂且难度较大，通常需要对大量的非线性方程组进行推导计算且得到的解不唯一。该文提出了一种将人工神经网络用于并联机器人位置正解求解的通用方法，并结合实际机构对并联3自由度机器人进行了具体求解。通过对神经网络拓扑结构的设计以及选取有效的学习算法并用大量的位置反解数据对神经网络进行训练，获得了用于求解位置正解的神经网络模型，该网络可以实现位置正解问题的求解计算，从而避免了复杂的推导和演算。计算机仿真与实验结果表明了该方法的有效性与可行性。     

仿人机器人逆运动学在线求解方法研究

针对仿人机器人逆运动学在线求解问题,从计算实时性与数值稳定性的角度展开研究。分析了仿人机器人下肢拓扑结构,建立其运动学模型与前向运动学描述,根据当前机器人逆运动学算法研究成果,将几何方法与阻尼最小二乘法相结合,并结合分段阻尼思想,提出一种仿人机器人在线逆运动学求解算法。根据运动规划结果,将所提方法与基于雅可比矩阵的广义逆方法通过仿真算例进行对比,验证了所提方法在奇异位形附近的数值稳定性和在线实施的可行性。     

3-TCT并联机器人运动学仿真

以Pro/E环境下建立的3-TCT并联机器人的模型为研究对象,在ADAMS/View模块下,对其添加约束和驱动后,进行运动学仿真.给定动甲台的位移,测量驱动杆杆长的变化曲线,利用ADAMS/Postprocessor模块对测量结果进行后处理,可得运动学逆解;以逆解得到的驱动杆杆长的变化曲线作为驱动,添加到驱动杆上可进行运动学正向求解.正逆解仿真结果对比表明,动平台正解时的运动轨迹和逆解时的运动轨迹完伞吻合.方法避免了大量的数学计算和计算机语言编程工作,通过CAE仿真软件实现了对并联机器人的运动学仿真,为并联机器人实际样机的调试和控制提供了一套有效的分析方法.     

肢体协调运动康复机器人的机构设计与实验

针对临床上缺少一种肢体协调运动康复训练设备的现状,研制了一款适用于偏瘫患者个性化训练的上下肢协调运动康复机器人.首先,在探究正常步态上下肢协调运动规律的基础上,选择以肩、膝关节角度协调变化规律作为机器人的设计目标;然后,基于五杆变胞机构设计了康复训练机构及主/辅传动链,并对训练机构进行了运动学分析;最后,在样机上进行了实验,结果表明该机器人能够满足设计目标.     

仿青蛙游动机器人机构设计

为研制仿青蛙游动机器人,设计了游动机器人机构.首先通过分析生物青蛙结构,设计仿青蛙机器人的原理样机.选择气动肌肉作为驱动器,分别驱动髋、膝、踝关节的转动,并采用钢丝传动结构,将膝关节气动肌肉安装在躯干上,从而有效减小了腿部的质量.建立了机器人系统的运动学模型并进行机器人运动学分析.分析了青蛙游动过程中的水下受力,并将水的作用力引入ADAMS仿真环境中,模拟了青蛙游动中的水环境,从而进行动力学仿真分析.最后对所研制出的仿青蛙游动机器人进行水下游动实验,其推进阶段平均速度达到339 mm/s.通过对比分析发现在动力学仿真和样机实验两种不同方法下机器人后肢运动形式基本一致,从而验证了仿青蛙游动机器人原理样机设计的可行性.     

基于蚁群算法的并联机器人误差补偿方法

提出一种利用蚊群算法补偿Stewart并联机器人位姿误差的方法.基于闭环矢量法建立Stewart并联机器人位姿误差模趔,通过6个驱动杆的长度误差和铰链误差得到并联机器人的位姿误差.在位姿误差模型的基础上,利用基于网格划分策略的连续蚁群算法,通过信息素更新指导蚂蚁反复搜索,对驱动杆杆长误差进行寻优,最终补偿Stewart...     

医用机器人运动学参数最优化设计

提出了一种实用的医用机器人运动学参数误差的优化补偿方法．采用D-H方法建立起机器人连杆坐标系．在运动学分析和模型变换的基础上，运用数值优化技术建立了机器人运动学参数的误差方程，实现了运动学参数的优化设计，有效提高了机器人的重复定位精度．以仿真和实验验证的方式对优化结果进行了分析．     

用于丝驱动连续体机器人的实用运动学研究

针对单段及多段连续体机器人运动学问题,提出分段常曲率与粒子群算法相结合的完整正逆运动学分析方法.以双段丝驱动连续体机器人为研究对象,首先设计含平移段的机器人样机;然后利用分段常曲率方法建立驱动空间与关节空间的相互映射,根据齐次变换得到关节空间至工作空间的正映射关系;最后利用线性递减权重粒子群算法实现工作空间至关节空间的逆映射.对双段连续体机器人的运动学进行仿真及逆运动学求解耗时测试,并在研制样机上进行了实验验证.仿真结果说明了所提运动学研究方法的合理性及逆运动学求解的快速性,实验结果显示位置平均误差小于双段连续体机器人本体长度的6.22％,验证了所提运动学的有效性.     

An improved hybrid method for forward kinematics analysis of parallel robots

This paper combines a new structure of artificial neural networks (ANNs) with a 3rd-order numerical algorithm and proposes an improved hybrid method for solving forward kinematics problem (FKP) of parallel manipulators. In this method, an approximate solution of the FKP is first generated by the neural network. This solution is next considered as an initial guess for the 3rd-order numerical technique which solves the nonlinear forward kinematics equations and obtains the answer with a desired level of accuracy. To speed up the method, a new structure is proposed for designing the ANN which is called Same Class One Network. In this structure, the outputs of the ANN are classified into classes of similar variables with an individual network designed for each class. The proposed method is then applied to a planar 3-RPR parallel manipulator and a spatial 3-PSP parallel robot. The results show that using this method will lead to a 55% reduction in required iterations and a 20% reduction in the FKP analysis time, while maintaining a high level of solution accuracy.     

髋关节康复机器人的运动学分析与仿真

康复机器人能够按照指定轨迹稳定运行是康复过程安全性和有效性的重要保证,因此机器人末端位姿与人体患肢位姿应保持高度重合,同时康复机器人应具备适应不同人体患肢长度的能力。为此提出了机器人与人体患肢运动学模型关联的计算方法。对所设计的平卧式五自由度髋关节康复串联机器人建立了运动学数学模型。将人体下肢简化为四自由度两关节连杆,建立人体的运动学模型,根据人体下肢参数计算患肢末端位姿,并将其作为输入条件代入机器人运动学模型求解,得到机器人的关节变量对关节转动进行控制。以屈髋和内旋动作为例,应用SimMechanics进行仿真,得到的各关节角度与目标设定值一致,且机器人关节角度范围满足人体髋关节活动度的康复要求。分析了下肢长度测量误差对髋关节康复角度及位置的影响。结果表明当大腿长度占比测量偏差为0.5%,位置偏差小于6 mm时,关节角度偏差小于1°。     

矢量场逐次逼近的康复机器人柔顺交互控制

为了实现康复机器人的主动柔顺交互,提出了一种基于矢量场逐次逼近的控制模型;设计了矢量场逐次逼近系统,可输出机器人关节期望位移,该输出能与输入的扭矩、表面肌电及脑电等信号在振幅、频率和相位上保持同步,且通过调节遗忘因子参数值,可改变主动柔顺交互的积极性;利用自行设计的穿着型下肢康复机器人样机进行柔顺辅助实验,以验证所提出控制模型的有效性;通过FFT（Fast Fourier transformation）频谱对机器人关节扭矩的组成成分进行了分析,并采用基于最小二乘法的参数辨识方法实施了重力补偿,以便康复机器人实时控制.实验结果表明,该控制模型对于实现康复机器人与人之间的柔顺交互是有效的.     

连续型机器人运动学仿真和操控系统设计

为了适应越来越复杂的非结构化环境,设计了一种基于球铰链连接和柔性支撑杆结合的线驱动连续型机械臂,并基于常曲率模型的假设建立连续型机器人的运动学模型,研究连续型机器人驱动映射关系,利用MATLAB进行运动学和驱动映射的仿真,仿真结果表明连续型机器人的空间优越性。搭建三关节连续型机器人样机平台,基于连续型机器人的特点设计末端关节跟随手柄操作模式,并在样机平台上实验验证,实验结果表明了运动学模型和驱动映射关系的合理性和正确性以及操控方式的可行性。     

基于改进天牛须算法的电力攀爬机器人运动学逆解算法

为了提高电力系统的自动化水平,减轻电力工人在检修高压输电系统时的劳动强度,同时保障电力工人人身安全,提出并设计一种可以攀爬电力铁塔的六自由度关节式机器人,针对该构型进行运动学分析和求解.为解决传统的解析法用于机械臂逆运动学求解过程中存在操作繁琐和奇异点无法逆运算等问题,提出一种基于改进天牛须算法的电力攀爬机器人运动学逆解算法.首先,对电力攀爬机器人进行DH建模,得到正运动学方程;然后,使用正运动学方程和目标位姿建立代价函数,采用改进天牛须算法对代价函数优化;最后,使用Matlab实现此算法进行仿真验证.实验结果表明,与传统的天牛须算法、改进遗传算法以及改进粒子群算法相比,所提出算法具有较好的收敛性,求解精度较高.     

Optimal design of a parallel assembling robot with large payload-to-mass ratio

Assembly in a confined space, such as the cabin of an aircraft or train, demands the assembling device to be with compact structure, satisfactory kinematics and excellent load carrying capability. A six degree-of-freedom (DoF) parallel robot is proposed and designed for such assembling tasks in this paper. Specially, internal structure changes introduced by topology optimization are considered and the multi-objective optimization reaching large load-to-mass ratio is implemented. First, external dimensions of the base and the ratio of the remaining volume to the complete volume are the inputs. Once a set of input variables are given, the topology optimization will be performed by FEA software to form the structure of the base. The stiffness and mass of the base, being the outputs, are obtained numerically by software. Then, the meta models are established by the response surface model (RSM) method. On this basis, stiffness and mass models of the robot are built by the semi-analytical method. The optimal design is implemented by Pareto-based multi-objective optimization. Different arrangements of the objectives are compared. The results show that kinematic indices on the Pareto fronts are all at a satisfactory level. The optimization having payload-to-mass ratio as objective leads to the optimum with higher stiffness along z-axis and smaller mass. The design 6-DoF parallel assembly robot can carry up to 42.06 kg loads while the mass is only 12.002 kg.