一种三自由度并联踝关节康复机构

在分析现有踝关节康复机构的基础上,提出一种基于3-UPU并联机构的新型踝关节康复机构,该机构具有3个自由度,能够实现踝关节的旋前/旋后、内翻/外翻运动,并且该机构的转动轴线可实现高度和角度方向的调节,从而使机构转动轴线与人体踝关节运动轴线更好的吻合,给患者带来更好的康复效果。求解了机构的自由度,运动学反解,并根据踝关节康复要求对机构尺寸进行确定,进一步求解了机构的工作空间,对机构的运动学进行了仿真验证和样机运动试验。     

新型RR-RURU踝关节康复机器人机构的设计与分析

基于无耦合RR-RURU转动并联机构设计出一种新型踝关节康复机器人。利用螺旋理论对机构进行了运动输出特性分析和自由度计算;推导出机构动平台的姿态方程和角速度方程,讨论了机构满足运动学完全各向同性的结构条件;根据机构分支运动链的运动螺旋系的线性相关性,分析了机构的运动学奇异性并给出其奇异位形;研究了机构的工作空间,得到其可达工作空间的三维图形。绘制出新型踝关节康复机器人的CAD模型,利用临床医学步态分析数据（CGA）得到其输出角位移曲线,并对其动力学进行了虚拟样机仿真。研究结果为该新型踝关节康复机器人的样机试制提供了理论基础。     

一种新型3自由度并联运动模拟器的设计与分析

提出了一种新型两转一移3自由度并联运动模拟器,该运动模拟器能够完成升降、侧倾、俯仰3种运动,可以用来模拟飞行器、船舶、驾驶场景或应用在动感座椅等其他民用娱乐设备上.基于螺旋理论,分析了该机构的自由度,求解了该并联机构的运动学正反解;对工作空间和奇异位形进行了分析;利用SolidWorks和Recurdyn联合仿真,建立...     

一种可重构四足移动机器人的几何约束及其抗倾覆能力

提出了一种在倾倒后具有自我恢复能力的四足并联移动机器人。该四足机器人的腿部结构由一种可重构空间六杆机构构成,该六杆机构由两个改进型球面五杆机构并联而成,具有两种不同的运动位形。其中,运动位形Ⅰ具有1R2T共3个自由度,满足四足机器人对腿部行走机构的自由度需求;运动位形Ⅱ具有2个自由度且工作空间很大,满足其翻身所需要的工作空间条件。运用螺旋理论对球面五杆机构和可重构六杆机构的两种运动位形进行了几何约束分析,这两种运动位形具有互锁性能。运用D-H法对可重构六杆机构进行了逆运动学分析并得到其工作空间,验证了四足机器人翻身的可实现性。分析了四足机器人在翻身时的步态,得出了其在倾倒后自我恢复时腿部电机转动角度与机器人机身重心的关系。在四足机器人的翻身过程中,其腿部的可重构六杆机构均处于运动位形Ⅱ。在Adams软件中验证了预设翻身步态的正确性与合理性。     

空间8R髋关节康复并联机构的运动学分析

提出了一种二自由度空间8R并联机构用于人体髋关节康复。建立空间8R并联机构模型,运用螺旋理论对机构的初始位形及一般位形进行分析;采用D-H法建立空间8R并联机构的几何模型和运动学方程,得出了机构的运动学方程;运用Adams软件和理论计算共同验证了空间8R并联机构运动学方程的正确性,得出了机构在不同运动下,一个周期内的角位移变化规律。此空间8R并联机构性能稳定,能够进行平稳运动,可以有效提高髋关节康复效果。     

三自由度永磁球形电动机运动学与动力学分析

针对在众多领域内要求执行机构必须在一定的空间内多自由度地完成某些特定的工作,研究了一种新型的多自由度执行装置三自由度永磁球形电机。以旋量理论和李群李代数做为基础,对该装置进行运动学与动力学分析,以POE指数积法求解三自由度永磁球形电机的运动学正解、逆解,综合分析各运动杆件运动学分析的结果,使用运动螺旋和指数积公式的数学工具对其进行分析,得到其速度变换的雅可比矩阵以及求取三自由度永磁球形电机运动所需的驱动力矩,基于凯恩方程和旋量理论建立三自由度永磁球形电机动力学模型。为三自由度永磁球形电机轨迹规划以及运动控制等后续研究提供了重要的理论基础。     

一种3-PRRS柔性微动并联机构的运动学分析

提出一种新型的3-PRRS柔性微动并联机构以适应多自由度微位移运动的需求。以3-PRRS型微动机构为研究对象,在分析其结构特点的基础上,运用螺旋理论对其运动自由度进行了分析,建立了机构位置方程,得到了机构输入量与输出量之间的映射关系。进而基于运动学分析结果,对机构的工作空间进行仿真分析。该机构具有对称性好,结构简单,易于控制等特点。     

七自由度双臂机器人旋量理论正向运动学与工作空间分析

机器人关节空间与工作空间的关系是通过正向运动学方程建立的,正向运动学分析是实现轨迹规划和控制的关键。介绍了比D-H参数法计算简单、描述全面的旋量理论法,应用指数积公式分别对七自由度和六自由度双臂机器人的单臂进行运动学分析并建立正向运动学方程。利用ADAMS进行运动仿真,对比发现:仿真结果与通过正向运动学方程求解的数据接近,误差不超过3 mm,验证了结合旋量理论建立的正向运动学方程的正确性;利用MATLAB软件进行工作空间分析,通过工作空间云图对比,得出七自由度双臂机器人有着更大的工作空间,表明拥有肩部关节的七自由度双臂机器人具有更好的运动学性能。     

上肢康复机器人的研究

以人体上肢的生理结构为依据,设计了一个5自由度的上肢康复机器人,实现肩关节内收外展、前屈后伸及内旋外旋,肘关节前屈后伸,前臂旋前旋后的运动。同时引入一个被动自由度从而保证机器人与用户关节的对齐,增加了运动范围。按照人体尺寸标准,采用Creo绘制了机械臂的三维模型,并通过ADAMS软件进行运动学仿真,验证了结构的可行性。     

绳驱动仿人踝关节机构设计及其运动学分析

以人体生理踝部关节结构为模仿对象,设计一种转动轴线空间斜交叉的2自由度绳驱动踝部关节机构。运用D-H法建立了踝部关节的运动学模型,进行了踝关节机构的运动学仿真,分析了踝关节机构的距下关节、踝关节转角对脚部内外翻、内外旋、背曲(跖屈)运动的影响,仿真结果表明设计的踝部关节机构具有良好的运动灵活性,实现了与人体踝部关节接近的运动功能,为仿人机器人高性能踝部关节的研制提供了理论基础。     

一种新型拟人机械腿的运动传递性能分析

针对当前多数拟人机械腿采用串联机构出现的运动惯性大、承载能力小,不能很好地满足拟人机器人运动特性需要的问题,提出了一种新型拟人机械腿并联机构,介绍了其结构布局特点,该机构具有3个自由度,外观匀称,与人腿相仿度高,在结构上实现了人体踝关节和膝关节功能.建立了该并联机械腿的位置反解方程,基于该方程用矢量法推导出了线速度和角速度雅可比矩阵,分别定义两矩阵的条件数和可操作度作为其运动学性能指标,分析了各性能指标在工作空间内的分布规律.研究结果表明:拟人机械腿速度传递性能良好且稳定,脚掌的运动传递性能几乎不受屈膝角度的影响.仿真结果符合人体腿部的运动要求,为当前拟人机械腿的研究提供了一种新的构型.     

新型2自由度并联平动机构构型及运动性能

基于3-UPU并联机构的奇异位形,提出了一种可绕圆周平移运动的新型平动机构,并利用该平动机构构造了两种姿态保持恒定的新型2自由度并联平动机构。分析了其中一种新型2自由度并联平动机构的位置正反解、速度雅克比矩阵。用无量纲参数建立该2自由度并联平动机构的尺寸型模型,该模型在有限区间内给出了2自由度并联平动机构所有可能的尺寸组合,模型空间中的任意一点代表具有相同或相似性能的同一族机构结构。基于2自由度并联平动机构的全条件数指标和尺寸型模型,绘制了反映尺寸参数组合与其运动性能关系的性能图谱。     

双稳态平面并联机构

以提高多自由度并联机构的运动性能为目标,探索柔顺双稳态机构在克服并联机构力奇异问题中的应用。提出一种双稳态凸轮柔顺机构,利用双稳态机构在非稳态位形的非零内力,为并联机构提供柔顺过驱动输入,利用柔顺过驱动输入消除并联机构在运动奇异和力奇异位形时的运动或操作力不确定性。以平面五杆2-DOF并联机构为例进行了机构工作空间分析、运动奇异位形分析、以及力奇异位形分析。计算结果证明采用提出的双稳态凸轮柔顺机构能实现该平面2-DOF机构奇异位形的控制。     

新型四足步行机器人串并混联腿的运动学分析

针对串联四足机器人行走惯量大,自重/载重比大的问题,提出一种新型串并混联四足步行机器人,并对该机器人的串并混联腿进行运动学分析。该机器人由一个运载平台和四条结构相同的串并混联腿组成,每条腿均由髋关节、大腿、小腿顺次连接构成,其中髋关节为3-RRR并联机构。以能耗最小姿态为最优姿态,基于矢量法求解了该串并混联腿的运动学正解和反解,利用MATLAB和ADAMS软件验证了正解和反解的正确性;基于矢量法和微分变换法求出了该混联腿的速度雅克比矩阵和加速度矩阵,分析了其奇异性,并利用MATLAB软件绘制出该腿的工作空间。结果表明:该腿在髋关节连杆直径d=22mm,大腿杆件直径D=50mm,膝关节转角θ4∈[105°,155°]时,工作空间呈球冠形,最大内接圆半径R=400mm,高度为H∈[500mm,900mm]。本研究对该新型串并混联四足步行机器人的刚度分析、动态性能、机构优化设计和系统控制等的进一步研究具有重要意义。     

Kinematic analysis of a 3SPS+1PS parallel hip joint simulator based on Rodrigues parameters

To overcome defects in complex motion simulation and variable dynamic loading of hip joint simulators available in literature, a parallel hip joint simulator with a spatial parallel manipulator as core module is proposed. The simulator has four degrees of freedom (DOFs) including three rotational freedoms which replicate abduction/adduction (AA), flexion/extension (FE) and internal/external rotation (IER) motions in various human motion states and one translational freedom designed for specimen replacement. First, the mobility properties of the simulator were analyzed based on screw theory. Second, its kinematics was analyzed and its active/constrained forces were solved based on Rodrigues parameters. Some analytic formulae were derived for solving the inverse/forward displacements, velocities, accelerations and forces. Third, according to ISO 14242-1:2002(E), a numerical simulation of the inverse kinematics was conducted, the motion configuration scheme of the simulator was determined and the selection of actuators was validated. Then the numerical simulation was validated by an experiment. Finally, higher calculation efficiency of the Rodrigues parameters against the Quaternion was proved. It is shown that the simulator proposed here can replicate motions of a natural hip joint under various motion states via changing control programs but mechanical structure.     

DESIGN FEATURES OF A PARALLEL TESTING PLATFORM FOR SIMULATING KINEMATIC CHARACTERISTICS OF HIP JOINT

To simulate the movement of a human during daily activities, such as walking, running, squatting, and kneeling, a novel parallel hip joint simulator whose key movement component is a 3SPS + 1PS parallel manipulator with four degrees of freedom (DOF) was proposed. SPS denotes the spherical-prismatic-spherical leg, and PS denotes the prismatic-spherical leg where only the prismatic joint is actuated and hence underlined. Firstly, the formulae for solving the inverse kinematics of the 3SPS + 1PS parallel manipulator were derived based on the unit quaternion method. Then, the parallel hip joint simulator was designed and finally developed by means of constructing the mechanical module, control module, hydraulic loading module, and data transmission module. In addition, three linear actuators are driven by the scheduled inverse displacement trajectories to enable the moving platform to output rotations about the Z-, Y-, and X-axes for representing flexion/extension, abduction/adduction, and external/internal rotations of the human hip joint. Simultaneously, the hydraulic loading module represents the dynamic loading as described by ISO 14242 Part-1 acting on the hip joint during the kinematic experiment. The kinematic experiment and dynamic loading experiment show that the fitting curves of the experimental results are consistent with the designed movement and loading trajectories. All these illustrate that the developed 3SPS + 1PS parallel hip joint simulator with effective design of all modules can substantially represent the designed movement and loading trajectories. The developed hip joint simulator can provide more reliable tribology test data for artificial prosthesis of hip joint.     

六自由度并联运动机床奇异性研究

6-PSS并联运动机床的奇异性分析是6-PSS并联运动机床其它分析的基础,也是空间机构学分析的一个难点。本文首先解释了并联运动机床奇异性特征,通过建立6-PSS并联运动机床结构数学模型,实现了参数化设计。利用螺旋理论空间分析的优势,建立了6-PSS并联运动机床的Plücker坐标,方便地给出机床受力Jacobian矩阵,同时利用Matlab强大数学计算功能,精确的分析出并联机床的奇异性空间,降低了并联运动机床奇异分析的复杂性。     

一种3-CRCR/RPU对称并联机器人机构工作空间及运动学分析

提出一种新型对称3-CRCR/RPU并联机构,借助修正的Kutzbach-Grübler公式,结合螺旋理论进行分析,该机构具有4个自由度。根据几何约束条件列写矢量方程,以解析解形式给出该机构的运动学正解和逆解,基于逆解对机构速度和加速度进行分析,对机构雅可比矩阵分析知,该机构不含奇异位形且部分解耦。应用ADAMS软件建立仿真模型,验证运动学模型的正确性。根据机构各关节限制约束条件给出其工作空间,得出机构具有类斜六面体的α-β-z位姿子空间。最后,研究机构结构参数对工作空间的影响,并基于改进后的全局性能指标ηJ研究不同结构参数下机构整体性能分布,从而为该机构的空间轨迹规划、结构设计的优化问题提供参考。     

多输出3D打印冗余并联机器人的设计与分析

设计了一种新型多输出3D打印机器人,该机器人机构以Delta并联机构为主构型,以Stewart并联机构为辅助构型,在末端执行器上布置多个打印头,实现多输出。根据建立的运动学模型,分析了该机器人机构的运动学反解,得到速度雅可比矩阵,解得各驱动关节的速度和加速度。给定动平台的运动轨迹,仿真分析了机构的运动协调性,并对机构的灵巧性与静刚度进行了分析。     

Topology and kinematic analysis of color-changing ball

The color-changing ball has two stable configurations. Its mechanism is a multiple loop and polygonal mechanism. This paper investigates the mechanism typology and analyzes its structure and configurations during motion. A three-legged mechanism is extracted from this mechanism. The kinematics model of the mechanism is presented and singularity is discussed. The paper further decomposes the mechanism and investigates the platform structure of the intersection between loops. This leads to investigation of the offset of joint intersection at the intersection and its relevant geometry and kinematics. The paper further focuses on the configuration change between two states of the mechanism and investigates kinematics and singularity between two configurations. Based on the analysis, simulation of the color-changing ball is carried out. The topology and kinematics analysis in this paper helps the analysis of this kind of polyhedral linkage mechanism with radial motion. The research could potentially lead to the development of kinematics for design of this kind of mechanism.