六足机器人整机运动学分析及构型选择

六足机器人整机构型设计和整机运动学模型是机器人样机研制和行为控制的基础。利用GF集理论阐明了六足机器人整机构型设计的实质即为解决机械腿在机身平台上的布局问题,并基于仿生学原理给出了5种整机构型。介绍了一种三自由度并联驱动腿部机构,并利用闭环矢量链及求导的方法建立了基于该腿部机构的六足机器人整机运动学模型。本文给出了六足机器人整机运动学理论及仿真算例,推导出了速度、加速度的理论值及仿真值的拟合图。拟合结果表明:角速度、角加速度的理论值与仿真值的最大误差量级分别为10~(-2)(°)/s和10~(-3)(°)/s~2,验证了理论模型的正确性。基于该理论模型,绘制了不同构型下该并联驱动腿的六足机器人的工作空间分布图,选择了工作空间较大的两种整机构型,并对这两种构型下的六足机器人的运动学性能进行对比分析,选择了一种能够更好发挥该腿部机构综合运动能力的整机构型。本文的研究为该六足机器人的后续研究奠定了理论基础。所使用的整机运动学建模方法对其他六足机器人也实用。     

一种仿生四足机器人腿部机构的运动学分析与验证

提出了一种用于仿生四足机器人的新型串并混联腿部机构。首先介绍了四足机器人的结构组成,然后基于矢量分析法推导了该串并混联腿部机构的运动学正解与反解方程,并采用蒙特卡洛法求解了机器人腿部机构的工作空间,求出腿机构的速度雅克比矩阵。最后引入基于零冲击原则的足端轨迹,采用Adams软件对机器人单腿模型进行了虚拟样机仿真。仿真结果表明：各驱动电缸的速度变化曲线与理论计算结果一致,误差在±1×10-3m/s范围内,验证了机器人运动学模型的正确性,间接验证了机器人位置方程和工作空间求解的正确性,为腿部机构的静力学分析和动力学分析及整机结构优化奠定了基础。     

六足仿生机器人步态规划与足端可达空间分析

为进行六足仿生机器人轨迹规划和控制,设计了稳定性高且运动速度快的三角形步态,利用坐标变换分析机器人腿部运动学正解,利用几何关系分析腿部的运动学逆解,分别得出正解和逆解的显式解,并验证了正解和逆解的正确性。根据正解结果利用MATLAB仿真腿部的可达空间,并分析了可达空间的形状分布,结果表明在可达空间范围内腿部能够摆动足够的跨度和高度,从而实现行走及越障。     

六足步行机器人的并联机械腿设计

将并联机构用于六足步行机器人的腿部结构,以拓展六足步行机器人的应用领域.提出了一种基于(U+UPR)P+ UPS机构的并联机械腿,并对机械腿进行了结构参数设计.首先,对腿部机构进行了运动学分析,推导出了腿部机构的位置反解方程和速度传递方程;分析了腿部机构的工作空间并绘制了工作空间三维图,定义了工作空间性能评价指标,绘制了结构参数与工作空间性能指标的关系曲线.然后,对腿部机构进行了运动灵活性分析并绘制了雅克比矩阵条件数分布图,定义了运动灵活性评价指标,绘制了结构参数与运动灵活性指标的关系曲线.最后,基于工作空间性能指标和运动灵活性指标,采用蒙特卡罗法进行了结构参数分析,选取了一组性能较好的结构参数并考虑加工和装配工艺性,设计了一种新型3自由度并联机械腿的虚拟样机,为六足步行机器人的进一步研究奠定了基础.     

可展开固体反射面机构设计及运动学分析

针对传统固体反射面机构主反射面型面精度和收拢率较低的问题,设计了一种可展开固体反射面机构。首先,提出4种固体反射面机构可展单元构型并对其机构自由度进行分析,对比分析构型方案优缺点确定构型方案4作为可展单元基础构型,并对其结构和展开原理进行详细设计。通过D-H坐标变换建立该机构可展单元的运动学模型,根据几何约束条件建立机构位置矢量方程,利用向量封闭投影法解出各回转角间的关系,结合MATLAB软件编程对机构的位置、速度和加速度进行分析。应用ADAMS软件建立机构仿真模型,验证了机构运动学分析的正确性。最后根据机构中回转角的限制条件和结构尺寸关系,分析回转角和结构尺寸对可展开固体反射面机构收拢率的影响,确定2.2m可展开固体反射面机构的回转角和旋转角分别为78°和30°,中心圆盘半径、铰支座一孔纵向尺寸、切换连杆横向尺寸、纵向尺寸分别为245,8,40,18mm,收拢率为0.326,从而为可展开固体反射面机构的设计提供参考。     

基于旋量理论平板折展机构构型综合与分析

为了解决平板折展机构单元构型种类少的问题,对平板折展机构进行了构型综合,并优选出了一种机构进行运动学分析.基于对平板折展机构收拢原理的分析,运用旋量理论提出了一种平板折展单元机构的构型综合方法,综合出多种平板折展机构构型.通过分析比较优选出一种运动副全部为转动副的平板折展机构,对其构型机理及几何特征进行了分析,并基于旋...     

六足步行机缩放式腿机构的计算机辅助设计

本文分析了六足步行机圆柱型缩放式腿机构的运动规律及其受力状况,并结合机构的运动空间、六足步行机的最佳机体高度及结构约束等条件,给出了一种合理选择这种机构各设计参数的优化设计方法及计算实例。     

基于弹簧负载倒立摆模型的闭链弹性仿生腿设计

基于弹簧负载倒立摆(SLIP)模型的结构特性,提出一种面向高速奔跑的新型仿生闭链弹性腿结构。以猎豹的腿部骨骼肌肉系统为仿生对象,基于Stephensen-Ⅲ型连杆机构的构型进行演化设计,在腿部杆件结构中加入弹簧,并引入两杆三副,构建一种符合SLIP模型结构和弹性特性的八杆十副腿部机构。基于闭环矢量法对腿部机构进行运动学分析,采用对称弯月形曲线作为期望足端轨迹,提出一种将机构尺度综合分为腿部骨骼尺寸设计与曲柄摇杆尺寸优化的设计方法,得到了满足期望足端轨迹的结构尺寸。进一步采用拉格朗日动力学方程描述单腿足端地面反作用力与驱动力之间的关系。应用Adams软件建立动力学仿真模型,进行质心速度、质心垂直位移、弹簧变形量等仿真分析。经构型设计、运动学分析、动力学仿真和结构设计,验证了该新型闭链弹性仿生腿可实现快速的奔跑步态。     

新型3-DOF冗余并联机构运动学和工作空间分析

因具备更高刚度、更好动力学性能等特点,冗余驱动并联机构越来越多地应用于各行业中。提出一种支链为双滑块结构的3-DOF冗余并联机构,基于位置正、反解分别推导了机构的运动学方程,并结合反解方程和MATLAB对机构进行运动学仿真,绘制了驱动位移、速度曲线;结合运动学分析结果与正解方程对机构工作空间进行分析,绘制了机构三维工作空间;运动学、工作空间分析结果表明,机构在工作空间内运动平稳,无位移、速度突变等情况,且工作空间关于XOZ面具有良好的对称性;研究结果为该构型冗余并联机构的实际应用提供了基础。     

基于两杆张拉整体结构的可展机构设计

根据平面两杆张拉整体结构的特点,建立了可展机构单元的结构简化模型.在此基础上,以简化的平面两杆张拉整体结构作为可展单元提出了一种可展机构.利用最小势能法对两杆张拉整体结构进行找形分析,给出了可展单元中的几何尺寸关系.对确定尺寸的可展机构进行运动学分析,通过ADAMS仿真软件对可展机构进行运动学仿真,将理论计算与仿真结构进行对比,以验证结构的合理性.最后,设计制造了可展机构模型,并进行实物展开实验,验证了模型展开与收拢过程的有效性.     

一种平面3支链2自由度并联机器人设计及工作空间分析

以传统的基于自由度公式的构型综合法为基础，构型综合出一类操作末端可以作纯平动的平面3支链2自由度的并联机构，且针对其中一种并联机构进行分析与研究。利用设计空间理论对其机构尺寸无量纲化并构建出了设计空间模型；运用闭环矢量法求解其运动学正反解，并以数值算例验证其正确性；使用解析法与数值法结合讨论了该机构的理论工作空间的形状和面积；基于设计空间模型，探究了该机构的尺寸参数与其工作空间之间的关系，并绘制出理论工作空间面积图谱，该性能图谱有助于分析、优化和设计并联机构以满足其预期的应用需求。     

一种新型六自由度可重构并联机构的设计与应用

为了克服并联平台工作空间小的问题,结合少支链并联机构与可重构机构的优点设计出一种新型可重构并联机构,该机构可在3-SPS、2-SPS-SRS、2-SRS-SPS和3-SRS构型之间灵活转换,在保持了并联机构原有的优点上扩大了其工作空间,增加了其灵活性。以该并联机构为研究对象,首先利用螺旋理论对机构的各个构型进行自由度分析,接着在结合矢量法与旋转矩阵法建立出机构各个构型的运动学反解方程,然后以建立好的各个构型的运动学反解方程为基础采取三维极坐标搜索法仿真出机构在各个构型中的工作空间并进行对比分析,最后给出了三个应用实例,为该机构进一步的理论研究提供了一定基础。     

轮腿混合式四足机器人设计及运动学分析

针对轮式机器人地形适应能力差与腿式机器人移动速度受限的问题,设计了一个既能爬行又能滚动行驶的轮腿混合式的四足机器人,采用钢丝绳驱动方式来实现机器人脚轮的工作状态转换。在对机器人进行整体设计和腿部机构详细设计的基础上,运用D-H法建立站立腿的运动学方程,并通过几何法验证了运动学方程的正确性。借助MATLAB软件,编程程序绘制了摆动腿的运动空间,并分析了机器人的越障能力。     

一种六自由度混合驱动并联机构的位置正解分析研究

对一种六自由度混合驱动并联机构的位置正解问题进行了研究，根据该六自由度并联机构的几何结构特点，运用几何分析和虚拟杆长相结合的方法建立了其运动学数学模型，用遗传算法求出了其位置正解，并基于位置正解对该类并联机构存在的实际装配构型进行了分析，给出了计算实例。     

双电机驱动的六足直立式步行机构设计与运动学分析

设计了一种双电机驱动的步行机构,该机构由连杆构成的6条直立式步行腿所组成。通过对步行腿机构原理的分析,对单侧步行腿机构分解出的简单平面四连杆机构进行解析,以复数矢量法为基础,建立机构运动学模型。根据运动学方程,进行运动位置分析,找出极限位置,绘制出步行腿机构位置图,确定步行腿运动构件的运动空间,判断是否发生干涉。最后搭建实物样机验证了设计方案的可行性。样机试验结果表明,步行腿机构的运动特性能够满足六足步行机构的工作要求,设计方案可行,可为下一步的优化设计开发新型步行机器人提供依据,具有重要的研究意义。     

一种新型铰接空间连杆有限元单元及其在空间闭环机构中的应用

有限元法已广泛应用于结构的应变,应力及动力学分析,而利用有限元进行刚体机构的运动分析的研究较少.基于最小势能原理,推导出一种新型两端铰接间有限元连杆单元的梯度矢量、刚度矩阵和Hessian矩阵.并对关节轴线平行和共面这两种特殊几何关系下的单元模犁进行研究,给出计算公式和方法.在大型可展机构中,大量存在着结构相同的重复机构和闭环运动链.而基于有限元的运动学方法可以在不进行运动链分解的前提下,实现空间闭环机构的运动学分析.利用该方法对三种典型的空间闭环机构进行运动学仿真.其计算结果表明,应用该单元对空间闭环机构进行运动学分析,建模简单,计算正确,在大型可展机构中有很好的应用前景.     

基于螺旋理论的三棱锥折展机构构型综合与组网

研究折展单元机构构型综合对于可展开天线机构创新设计具有重要意义。根据三棱锥折展单元机构多运动输出期望公共运动和期望同步运动自由度要求,基于螺旋理论约束综合法,完成机构公共运动和耦合同步运动支链的构型综合,获得了多种基本折展单元构型,并结合应用实际确定一种优选三棱锥折展单元机构。根据3RR-3RRR单元折展机构的组网方式和组网运动的要求,采用螺旋理论进行了运动副的构型设计和优化,综合出一种具有耦合自由度的高刚度三棱锥折展单元组网机构。所采用的构型综合方法实现了螺旋理论约束综合法在折展机构构型综合中的应用,为具有多运动输出部件耦合运动要求的机构综合研究提供参考。综合得到的机构适用于星载构架天线反射器等空间曲面支撑类机构应用需求,具有广泛的应用前景。     

2T1R并联机构的运动学及工作空间分析

针对并联机构兼具误差小、精度高的特点,提出一种含1条冗余支链的新型2T1R双层并联机构。首先,构建坐标系,基于螺旋理论对机构的自由度进行分析,得出该机构具有3个自由度的结论,其中一条支链为冗余支链。其次,根据机构的运动特性,建立机构的运动学正解和逆解模型。通过具体的数值算例得出运动学正解模型的变化曲线和逆解的数值结果。将理论计算结果与ADAMS仿真结果进行对比分析,验证了所构建运动学模型的正确性。最后,进行机构的工作空间分析,得到动平台Ⅱ能显著扩大z向的工作空间和姿态角大小。该研究为机构的构型设计及实际应用提供理论依据。     

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。     

空间双层过约束可展机构的设计与分析

折展机构以其优越的折展性能,广泛应用于航空航天以及建筑等领域。以基于等边Bennett机构拓展得到的6R机构与三重对称Bricard机构巧妙结合,得到了一种可折展的环状机构,建立了多种过约束机构的几何模型并改进了环状机构的理论模型。利用D-H参数法对改进组合机构进行了运动学分析,得到其运动特性。以可折展环状机构为基本组网单元搭建了大尺度单层空间折展机构;以拓展6R机构衍生的7R机构结合Sarrus机构设计了可折展的连接单元,与单层折展机构复合构建空间双层可展机构,并提出了空间多层折展机构的可能性。