新型四足步行机器人串并混联腿的轨迹规划与仿真研究

为了提高四足机器人的载重自重比,综合了一种新型串并混联四足步行机器人,并针对其运动过程的冲击问题,使用了一种基于高次多项式的零冲击足端轨迹规划算法.该机器人每条腿均是由3-RRR并联机构串联一个转动机构组成.此机构利用D-H的方法建立坐标系,利用足端轨迹规划算法在世界坐标系对串并混联腿的摆动相进行足端轨迹规划,支撑相利用匀速直线运动进行规划.根据反解模型,计算出足端在髋关节全局坐标系下的足端轨迹.然后,基于混联腿的运动学逆解用Matlab编程计算得出串并混联腿的四个驱动函数.最后,把单腿模型导入到ADAMS中,添加约束、驱动后,利用ADAMS对串并混联腿进行运动仿真.结果显示,该混联腿的足端实现了零冲击规划的目标,且足端轨迹的速度、加速度平滑.由此表明仿真结果与理论结果相符,验证了该算法的合理性和有效性,为进一步研究四足机器人的步态规划和运动控制奠定了基础.     

2(3-RPS)并串运动平台的奇异性分析

并串联机构相对纯并联机构能够增大工作空间,同时能够增加动平台的灵活性。以2(3-RPS)并串运动平台为例,给出了并串运动平台的力雅克比矩阵的推导方法以及发生奇异的条件。首先,基于螺旋理论,分析了上下3-RPS并联机构支链的运动螺旋系和约束反螺旋;然后运用互易积理论,得到了2(3-RPS)并串运动平台的完整运动雅克比矩阵,在此基础上,建立了该机构的静力平衡方程和力雅克比矩阵,发现该矩阵是由2个3-RPS并联机构运动雅克比矩阵的转置而联立组成的6×12矩阵。最后,通过分析力雅克比矩阵是否降秩,具体分析了2(3-RPS)并串运动平台的约束奇异、运动奇异以及混合奇异位形。     

一种四足磁吸附爬壁机器人运动学分析及仿真

为实现爬壁机器人在不同曲率的铁基壁面上可靠吸附和自由运动,设计了一种能够全方位运动的四足磁吸附爬壁机器人。首先运用修正的Grübler-Kutzbach(G-K)公式对机器人进行了自由度分析。然后采用D-H法建立了机器人行走腿的连杆坐标系,分析了行走腿的正逆运动学。接着将机器人视为并联机构,分析了运载平台的正逆运动学,给出了逆运动学的解析解,并使用了一种基于牛顿法的求解含有冗余方程的数值算法得到了正运动学的数值解,建立了完整的机器人运动学数学模型。为了验证所建数学模型的正确性,使用Matlab根据所建数学模型编写计算程序,在Matlab和Adams中分别做了相同的正逆运动学仿真进行对比验证。最后使用螺旋理论得到了机器人的雅克比矩阵,结合Grassmann线几何理论分析了机器人的正逆运动学奇异位形,并验证了非冗余驱动时的一种正运动学奇异位形,给出了避免奇异性发生的方法。自由度分析结果表明运载平台具有六个自由度,能够完成空间全方位运动,机器人的结构设计合理;Matlab和Adams的仿真结果一致并且正逆运动学能够相互验证,说明了所建的数学模型的正确性,为机器人的运动控制、轨迹规划提供了理论基础;奇异性分析得出了机器人的奇异位形,为避免机构奇异性的发生提供了方向,利用逆运动学奇异性实现了无功耗静止。     

新型绳驱动混联肘腕康复机器人运动学分析

针对现有上肢康复机器人惯性冲击大、柔顺性和舒适性差的问题,提出一种新型绳驱动混联肘腕康复机器人,为得到其运动学正反解,把绳驱动腕部并联机构简化为2SPS/U机构,将腕部并联机构等效为虎克铰与肘关节康复机构串联,将整个混联机构等效为一个串联机构,基于D-H法对整个混联机构进行了位置正反解的计算和验证.     

一种新型混联手术机器人的运动学分析

根据手术机器人手术操作空间和运动特性要求,提出一种具有冗余8自由度的新型混联手术机器人结构.该混联结构由SCARA(PRR)串联机构和一个2自由度并联转动机构相结合而成.通过建立机器人正向、逆向运动学数学模型,解决了该机器人逆运动学解析解的问题,得到了运动学特征方程;运用蒙特卡洛法求解出机器人的工作空间云点区域分布,得到了由随机点构成的手术工作空间.理论分析和实际仿真结果表明该机器人结构具有良好的运动特性,并满足实际手术动作的工作空间要求,为手术机器人的详细结构设计提供了可靠的理论依据.     

一种5轴混联铣床运动学的矢量法分析

介绍一种由3自由度并联机构和2自由度串联机构组成的5轴混联铣床.采用矢量分析的方法,引入单位矩阵和四元素向量对运动学分析中的高阶转换矩阵进行降阶处理,实现机构输入参数与机构独立运动参数之间的矩阵转化,解决了机构运动参数耦合的问题;详细推导出铣床的并联部分驱动输入速度、加速度与机构动平台输出速度、加速度之间的数学关系,借助于运动学仿真分析软件验证了算法的正确性.该算法对于具有运动参数耦合的并联机构或混联机构的运动学分析、动力学分析以及机构的运动控制具有一定的参考价值.     

并联机构运动学与奇异性研究进展

为了发展更多新型结构的并联机器人,克服传统并联机器人工作空间较小、奇异性与运动学正解分析复杂的缺点,针对并联机构运动支链结构形式,将并联机构分为杆支撑并联机构、绳牵引并联机构和钢带并联机构,并介绍了这3种并联机构的运动学原理.针对这3种并联机器人机构形式,从运动位置、工作空间、奇异位形3方面,对国内外并联机器人运动学与奇异性的研究现状进行详细的阐述.分析钢带并联机器人结构与驱动方式的特殊性,对钢带并联机器人在运动过程中由于钢带承载力有限导致失稳所带来的问题进行探讨.结果表明,并联机器人运动学与奇异性的理论研究方法还不成熟,需要从结构设计和理论2方面进行突破才能解决并联机器人发展的瓶颈问题,从而拓宽并联机器人的应用领域.     

2T1R型少自由度并联机器人新构型及其运动

目的 通过运动学分析,完善并联机器人理论,优选设计2T1R型新型并联机器人机构.解决并联机器人产业化关键技术.方法 用添加约束法实现二维平动和一维转动的并联机器人构型设计,并对新构型进行约束分析和自由度计算;对新型3自由度并联机器人作位置分析和速度分析,用空间坐标转换理论推导出机构的雅可比矩阵;通过仿真方法 描绘出机构的运动曲线.结果 通过计算分析,用添加约束法作出的3种新构型3-TPS/RPP、3-TPS/CP和3-TPS/RUp,证明都具有3个自由度,能实现二维平动和一维转动.建立了新构型机构的位置正、反解计算方程.计算雅可比矩阵,求出速度反解.结论 该类并联机器人的速度较平稳,可控性良好.3种2T1R型少自由度并联机器人新构型能实现预定的运动,具有良好的运动性能,可以进一步开发和应用.     

2TIR型少自由度并联机器人新构型及其运动

目的通过运动学分析,完善并联机器人理论,优选设计2TIR型新型并联机器人机构,解决并联机器人产业化关键技术．方法用添加约束法实现二维平动和一维转动的并联机器人构型设计。并对新构型进行约束分析和自由度计算;对新型3自由度并联机器人作位置分析和速度分析。用空间坐标转换理论推导出机构的雅可比矩阵;通过仿真方法描绘出机构的运动曲线、结果通过计算分析,用添加约束法作出的3种新构型3-TPS／RPP、3-TPS／CP和3-TPs／RUp。证明都具有3个自由度,能实现二维平动和一维转动．建立了新构型机构的位置正、反解计算方程．计算雅可比矩阵,求出速度反解．结论该类并联机器人的速度较平稳,可控性良好、3种2TIR型少自由度并联机器人新构型能实现预定的运动,具有良好的运动性能,可以进一步开发和应用．     

2-UPR&2-RPU冗余并联机构动力学与功耗分析

提出一种新型2-UPR&2-RPU结构冗余并联机构,其具有两个转动以及一个移动(2R1T)自由度。运用螺旋理论分析机构的自由度及其运动特性,并利用修正的G-K公式验证分析的准确性,得出该机构含有一个冗余支链的结论。分析机构运动的约束条件,建立各支链的闭环矢量方程,求解得出机构的位置反解。基于符号运算的微分变换法对机构的速度和加速度进行分析,得到动平台速度雅克比矩阵和二阶影响系数矩阵,在此基础上进一步求解得出各支链的雅克比矩阵。运用虚功原理构建该机构的动力学模型,然后根据冗余并联机构驱动力配置方式不唯一的特点,采用驱动力二范数的优化方法推导得出驱动力和驱动功率方程。最后通过具体数值算例对所构建的运动学及动力学模型进行仿真。结果表明,在给定的运动规律的条件下,机构没有产生刚性冲击,在运动的起点和终点处,会产生一定的柔性冲击,整个运动过程驱动杆的驱动力变化平缓,驱动力二范数解所做总功为1143.2 J。     

Tricept并联机构的奇异性分析

奇异性是并联机构的固有属性,对机构的工作性能会产生不良影响,针对确定的并联机构应找出它的奇异位形.本文对驱动器分别布位于主动支链移动副和胡克铰2个转动副的3种驱动形式的Tricept并联机构的奇异性进行了分析.首先基于螺旋理论推导了机构各支链的运动螺旋系,利用互易积获得约束子矩阵和运动子矩阵,以此为基础建立了机构的完整雅克比矩阵.根据完整雅克比矩阵及线几何理论分析了Tricept并联机构的位形奇异条件,给出了3种驱动形式下Tricept并联机构的奇异位形,并分析了机构在奇异位形处的运动特征.     

多足机器人规则步态实现方法研究

步态规划在移动机器人运动学研究中具有基础和重要的作用,本文首先对四足机器人的着地点进行设计,并分别对各腿的摆动顺序进行几何规划,利用虚拟样机,对四足机器人的单足轨迹进行设计,使得机体能够维持重心稳定并向前运动;其次,本文构建了四足机器人支撑机构的运动学逆解模型,排除奇异解,基于支撑机构的数学建模与求解对四足机器人的前行运动进行了规划;最后,实验结果表明,规则步态规划方法可实现四足机器人稳定可靠地运动.     

机构影响系数和并联机器人雅克比矩阵的研究

基于刚体运动学的原理，对机构影响系数进行了研究，用运动坐标系和拟牵连速度的概念给出了机构速度影响系数求解公式，揭示了机构影响系数的物理意义，明确地论证了机构速度影响系数只与机构瞬时位姿有关而与机构的真实速度无关的结论。并将该方法用于并联机器人的运动学研究，由此而给出了求解并联机器人的雅克比矩阵的方法。     

新型2UPR/UPS/UP机构的误差模型与几何误差灵敏度仿真

研究推导2UPR/UPS/UP+AC摆混联机构的解析反解,并以2UPR/UPS/UP为研究对象,系统阐述单关节误差模型和支链误差模型,并给出相关的几何误差源;建立被动误差、动平台位姿误差与各支链运动副误差源之间的误差映射模型,并基于机构误差模型进行各运动副误差源的误差灵敏度仿真分析.研究成果可为基于2UPR/UPS/UP并联机构的五自由度混联机器人工程设计提供运动副误差分配及精度设计的理论支撑,同时为其他混并联机构的误差建模和灵敏度分析提供借鉴.     

空间平行四边形索环牵引并联机器人 设计与仿真分析

基于高层建筑物外墙面维护与定期清洗的实际需求,提出一种6索牵引承载机构的并联机器人设计方案.采用空间平行四边形结构构造索环,并采用4个电机驱动6根绳索,实现承载机构在水平和垂直两个方向的运动要求;建立了索环牵引并联机器人的运动学模型;分析了6根索的长度变化规律.该研究为实现索环牵引并联机器人的运动控制奠定了一定的理论基础.     

一种新型3UPU-PP混联机构的运动学分析及仿真

针对五轴联动机构在工业上的需求,基于螺旋理论提出3UPU-PP混联机构.3UPU为两转一移并联机构,运用闭环矢量法和几何法对该机构的运动学进行研究,得到该机构的正解和反解.采用数值搜索法,用Matlab软件搜索得到机构的工作空间.基于SolidWorks软件对机构进行运动学仿真,结果表明混联机构运动学模型及其性能分析结论正确合理,相关成果可为机构动力学分析、样机研制提供参考.     

助老助残四足/两足可重构并联腿步行机器人运动学建模与仿真

结合并联腿步行机器人和可重构机器人的优点,设计了一种新型的助老助残四足/两足可重构并联腿步行机器人,进行了该机器人的构型设计。以四足并联腿步行机器人为研究对象,根据步行机器人整机的结构特征和基本并联腿的运动特征,将整机的运动学问题转化为单个并联腿的运动学问题,建立了机器人整机系统的完整的运动学模型,进行了机器人在爬行步态下的仿真分析,得出了驱动器杆长的仿真曲线。该项研究为四足并联腿步行机器人整机的动力学分析和控制奠定了一定的基础。     

一种新型3-RPRRR并联机构的运动学分析

对一种新型3-RPRRR并联机构进行了运动学分析。首先,基于约束螺旋理论,利用修正的Grübler-Kutzbach自由度计算公式分析了该机构的自由度。然后对该机构进行了位置反解分析。最后采用虚设机构法与运动影响系数理论相结合的方法对该机构进行了速度和加速度分析,并进行了数值验证,表明该方法表达简洁,易于求解。所有这些研究表明：该机构的运动学性能稳定,适合实际应用。     

2-UPS/RPR并联机构运动学分析

为得到2-UPS/RPR并联机构运动学特性,首先,运用螺旋定理进行分析得出动平台反螺旋系与运动螺旋系,结合修正的Grübler-Kutzbach公式计算机构自由度.然后,通过位置反解得出末端执行器位姿与各驱动杆位姿函数关系,并结合牛顿迭代法得出位置正解.其次,运用雅可比矩阵映射出末端执行器速度参数.最后,运用Adams软件对2-UPS/RPR并联机构的虚拟样机进行运动学仿真分析,得到动平台位移、角速度、速度、加速度变化曲线云图,结果表明该机构两转一移的特性可适应不同工况下复杂表面的喷涂.     

2-UPS/RR并联髋关节助力机构及运动性能

为了帮助髋关节受损的患者完成行走运动,提出了一种适用于髋关节助力的2-UPS/RR并联机构.该机构不仅可以满足髋关节助力所需要的前屈/后伸、内收/外展、内旋/外旋运动,还可以保证机构的旋转中心与不同患者的髋关节旋转中心重合.计算了自由度,并应用解析法给出了机构的位置反解,建立了速度雅克比矩阵,通过对驱动参数的限定,求解了机构的工作空间.最后,基于雅克比矩阵,对比分析了分别驱动移动副和虎克副2根旋转轴时机构的运动学性能.结果表明:在规定的工作空间内驱动移动副时,机构具有良好的可操作性、运动灵活性和刚度特性.相比当前的髋关节助力机构,其结构简单,有效避免了支链间不必要的干涉,减小了整个机构的占用体积.设计的该机构适合髋关节助力训练.