基于自由度分配和方位特征集的混联机器人机型设计方法及应用

混联机器人机构兼有并联机构刚度好、定位精确及串联机构工作空间大、控制解耦性好等两方面的综合性能及优点,其设计的关键是基于操作器方位特征集的串(并)联自由度数目和顺序分配、组合方式及新型少自由度并联机构模块的构造及其性能评价.提出基于自由度分配和方位特征集的混联机器人机型设计方法,提出单点作业、多点协同作业二类混联机器人的定义、符号表示方法并分析其优缺点;给出按这二类作业方式设计3～5自由度混联机器人分别可能构造出的全部结构组合方案、设计原则和步骤;据此,创新设计出多种新颖结构的混联机器人机构实例,并研制单喷枪、三喷枪协同二款五轴混联高速喷涂机器人,比较这二种结构的性能优劣.研究为混联机器人机构的机型设计提供了一种一般性方法,为复杂先进装备的创新研制提供了机构设计的基础.     

基于螺旋理论的并联机构构型设计

总结了一般并联机构与具有被动链并联机构的结构特点，提出了具有被动链并联机构的基本构造方法，根据螺旋理论分析了并联机构与其支链的自由度关系，提出了并联机构的构型设计与演变的基本法则。     

2RPU/UPR+RP五自由度混联机器人静刚度分析

为快速建立基于三自由度并联机构2RPU/UPR构造出的五自由度混联机器人的解析刚度模型,首先对混联机器人的结构进行了描述;然后基于串联和并联结构独立求解思想,建立了混联机器人的位置反解模型;再对混联机器人的结构进行简化处理,分别求解并联部分与串联部分两子系统的静刚度模型,从构造系统的力旋量系和弹性变形协调条件入手,简单且快速地建立了混联机器人的整体刚度模型;最后构造混联机器人的等效三维模型,运用有限元和MATLAB软件,对典型位姿下混联机器人受外力/力矩产生的微位移进行仿真验证,并给出了整机静刚度在任务空间中随位形变化分布图。通过仿真与理论计算的对比分析,验证了该混联机器人理论刚度模型的正确性。     

基于螺旋理论的并联码垛机器人构型综合

码垛机器人主要用于物流生产线物料搬运、堆垛等工作,负载能力是其一项特别重要的指标,而现有的码垛机器人采用串联构型,造成机器人机构笨重且负载能力较小,不能满足实际生产的需求。并联机构具有高速高强度的优点,已在运动模拟器、机床等领域取得成功应用,但并联机构在码垛机器人上的应用还鲜有报道。通过螺旋理论可综合出多种能够满足码垛需求的并联机构构型,并为后续深入研究并联机构在码垛生产线上的应用提供了大量的可选构型。     

一种6自由度混联机器人静刚度分析

针对焊接、切割、打磨、抛光等轻型加工需求,提出一种由面对称3-UPU并联机构及3自由度转头组成的6自由度混联机器人,侧重研究其中并联机构刚度的半解析建模与全域快速预估问题。从分析系统的力旋量系和变形协调条件入手,构造出计及所有支链构件及铰链弹性贡献的半解析静刚度模型。通过算例揭示整机静刚度在任务空间中随位形的变化规律,并借助ANSYS有限元分析软件在典型位形验证了所建模型的正确性。     

四足仿生机器人混联腿构型设计及比较

四足仿生机器人一直是机器人领域研究的热点之一。对国内外的研究现状和代表样机进行综述,总结现有四足机器人的腿构型的优缺点。混联腿构型结合了并联机构和串联机构的优点,可在提高机器人载重/自重比的同时,满足快速稳定响应的需求,从而实现高速、低能耗、高承载的运动。提出三种不同的3自由度混联腿机构,由1自由度的四杆机构和2自由度的平面并联机构串联组成。建立3种混联腿的运动学模型。根据四足机器人的行走设计需求,总结三种混联腿机构的特点,并建立其各自的工作空间模型。基于对角小跑的轨迹,分析三种混联结构在空间上的承载能力和各向同性度。通过对比分析选择第三种混联腿作为最优选项,并进一步与经典串联腿进行驱动力矩比较,证实混联腿的优越性。通过样机负重行走试验验证结果的可靠性,为四足混联腿机构机器人的后续研究奠定理论基础。     

基于单开链单元的3R2T混联机器人构型综合

通过分析少自由度串联机器人机构和并联机器人机构的构型特点,基于运动螺旋线性无关的原理,以单开链少自由度串联机构为单元,提出了一种系统有效的混联机器人构型综合的新方法和单并联、多并联混联机构的概念及表示方法。首先根据螺旋理论构造了单开链3R2T五自由度串联机构,其次将并联机构视为一个复合运动单元构型到串联机构中,替代串联机构中运动基相同且连续的若干运动单元,3R2T五自由度混联机器人构型,最后通过运动螺旋的线性组合来生成其它混联机构。     

基于单开链单元的3T2R混联机器人构型综合

通过分析少自由度串联机器人机构和并联机器人机构的构型特点,基于运动螺旋线性无关的原理,以单开链少自由度串联机构为单元,提出了一种系统有效的混联机构构型综合的新方法和单并联、多并联混联机构的概念及表示方法。首先根据螺旋理论构造单开链3T2R五自由度串联机构,其次将并联机构视为一个复合运动单元构型到串联机构中,替代串联机构中运动基相同且连续的运动单元,从而获得3T2R五自由度混联机器人构型。最后通过运动螺旋的线性组合生成其他混联机构。     

六自由度轮式并联机器人及其构型方法

车轮是人类历史上最伟大的发明之一,在交通运输领域得到了广泛的研究与应用。将车轮这种特殊的运动副引入到传统并联机器人构型设计中,可以有效拓展并联机器人的工作空间。基于全方位轮的关联矩阵描述,将含车轮的串联支链构型综合问题转化为含车轮的关联矩阵求解问题,综合出两类含车轮的无约束串联支链,并分析了两类串联支链的受力稳定性。提出了两种六自由度轮式并联机器人新构型,分析了基于全向轮的轮式并联机器人的自由度属性,并成功研制出了一台实验样机。六自由度轮式并联机器人融合了移动机器人和传统并联机器人的优势,不仅具有移动效率高、移动范围广的优点,且具备在局部小范围内进行高精度六自由度操作的能力,可广泛应用于大型精密设备制造过程中的加工、运输、调姿和装配等工业操作。     

混联机器人的分析与研究

串联机器人需在各关节上设置驱动装置,故各动臂的运动惯量较大,因而不宜实现高速或超高速操作。混联机构兼有并联机构刚度大和串联机构工作空间大的优点 混联机器人的研究关键是构造新型少自由度并联机构。新型并联双自由度转动关节（RGRR-1）可以实现运动解耦 其活动构件少,仅有3个活动构件 工作空间大,可以实现绕固定坐标系Z轴的摆动,幅度为-90°—90°,以及绕摆动轴X1轴的360°的转动 与串联双自由度转动关节相比,具有刚度好的优点。利用RGRR-1构造的混联机器人,具有刚度高、结构紧凑、工作空间大、制造容易等优点。     

基于旋量理论的并联柔性机构构型综合与主自由度分析

随着精密工程的发展,柔性机构的应用前景越来越广。现有柔性机构的种类相对较少,因此综合更多的柔性机构,尤其高性能的柔性机构变得至关重要。在旋量理论指导下,提出一种基于自由与约束对偶原理的并联柔性机构的图谱化构型综合方法。该方法简单、直观,物理意义明确。随后对3自由度(2R1T和3R)并联柔性机构进行构型综合,给出一系列综合实例。为寻求高性能的构型,提出一种针对实际柔性约束的主自由度分析方法,来验证所得构型的自由度。最后,对一种2R1T并联柔性机构进行主自由度分析,通过分析给出了结构参数对机构特征柔度的影响。     

基于旋量的SCARA机器人动力学分析

应用旋量理论建立了SCARA机器人的运动学模型,并以此为基础建立动力学模型。此方法融合了拉格朗日,牛顿一欧拉法以及旋量的特点,易于求解。简要讨论了动力学与机器人轨迹精度。     

基于螺旋理论的单闭环多自由度过约束机构综合

以螺旋理论为基础,分析构成单闭环过约束机构的约束数目、运动副数目和自由度数目之间的关系,给出针对单闭环过约束机构的自由度计算公式。按照约束螺旋的性质将过约束螺旋分为具有不同阶数的力约束和力偶约束两类,总结所有可能形式的独立过约束性质和数目及其组合。在给出特定过约束组合的条件下,应用虚功原理,以反螺旋理论为计算手段,得到多自由度单闭环机构的综合条件。应用解析的方法,得到满足机构为非瞬时运动的条件,给出机构的运动副轴线布置、运动副数目、运动副排列和空间几何条件。全面系统地解决了单闭环多自由度过约束机构的构型综合问题,群举所有可能的单闭环过约束并联机构。给出机构综合步骤以及部分典型机构的设计范例。     

基于螺旋理论四自由度机器人分析

非过约束机构对于制造和装配的要求非常低，因此近年来对于非过约束机构的研究已经成为研究的一个热点。H4机构就是一种典型的非过约束混联机构，能实现3TIR运动，可以实现对物体的高速拾取。对于这种机构的研究传统的方法是采用矢量方程的方法，但是这样方法的求解复杂而且不是很直观。运用螺旋理论对于机器人进行了分析，可以很容易了解每一个分支对于运动平台的约束，以及能机构CE实现的运动，利用螺旋理论可以简化机构设计中的计算，为机器人的性能分析奠定基础。     

基于旋量理论的RRRP机器人逆运动学分析研究

对机器人逆运动学的分析研究是实现控制和轨迹规划的基础。介绍了旋量理论和逆运动学指数积公式;基于旋量理论和指数积公式进行了机器人逆运动学子问题的分析;最后,根据机器人的结构特点,建立了RRRP机器人的逆运动学模型,将整体逆运动学问题的求解划归为相应子问题的求解,得到了给定末端工具位姿条件下关节变量的表达式。整个过程显示了旋量理论在逆运动学分析中对比D-H参数法的优越性和简洁性,为类似运动学乃至动力学的分析求解提供了新的思路。     

基于旋量理论的五自由度焊接机器人正运动学分析研究

基于旋量理论的运动学分析方法比采用传统的D-H法更加简化,以五自由度焊接机器人为研究对象,利用旋量理论建立五自由度焊接机器人的理论模型,通过Solidworks建立焊接机器人的虚拟样机,导入虚拟仿真软件ADAMS进行运动学分析。结果表明,ADAMS仿真能直观表达工业机器人的运动规律,同时能验证旋量理论建立的运动方程的正确性和可行性,为后续建立动力学方程、进行运动规划提供了理论基础和新方法。     

基于位移螺旋与Chasles定理的机器人轨迹规划研究

提出了基于位移螺旋与Chasles定理的机器人轨迹规划方法,这种轨迹的规划方法,可以兼顾关节空间和笛卡尔空间轨迹规划的各自不同的优点,适应于不同的串、并联机器人,既简单又直观。并提出了由B样条函数生成的空间轨迹。     

基于工作空间分析的9自由度超冗余串联机械臂构型优化

提出基于工作空间分析解决超冗余串联机械臂构型选择问题的方法。首先,采用正态分布对求取机器人工作空间的蒙特卡洛法进行改进。用归一化可操作度指标分析机械臂运动的灵活性,用数值仿真的方法得到了最大可操作度值与随机关节角组合的数量之间的关系,提出求取灵活工作空间的算法。其次,基于得到的工作空间,提出一种体元化算法求取工作空间的体积,寻找到工作空间的边界部分和非边界部分,通过对边界部分的不断细化,降低了体积求取误差。然后,分析多自由度串联机械臂构型设计方法,针对9自由度超冗余串联机械臂,确定出了36种待选择的构型方案。仿真分析9自由度超冗余串联机械臂的工作空间,在待选构型中选取了一组最优构型。结果表明：改进的蒙特卡洛法生成了精确的工作空间;体积求取算法效率较高,相对误差小于1%;所选构型的工作空间指标优于已研制的构型,其中可达工作空间体积提高了26.49%,灵活工作空间体积提高了36.63%。     

基于螺旋理论对3-RPS并联机器人运动学分析及仿真

3-RPS型并联机构具有3个结构对称的支链形式,每个支链由一个转动副连接基座,一个球面副与动平台相连接,转动副与球面副由移动副所连接。采用螺旋理论对3-RPS型并联机器人自由度分析,采用反螺旋的方法建立约束雅可比矩阵、运动雅可比矩阵和完整雅可比矩阵,导出了动平台的速度到驱动关节速度之间的映射,从而计算出末端执行器的速度、加速度并进行奇异性分析。基于Matlab SimMechanics软件建立3-RPS型并联机器人仿真模型,进行运动学仿真对比研究,结果表明:动平台的实际输出变化与给定的参考值变化基本相符,验证了该建模方法的正确性。     

基于螺旋理论的锻造操作机构型综合

为了进一步提高锻造操作机的解耦性能,构造了两种类型的串并联形式的混联机构以作为锻造操作机构型。锻造操作机构型Ⅰ的升降运动用平行4R机构实现,其俯仰、侧摆、侧移、大车前进方向的移动和侧向冗余移动用五自由度并联机构实现;锻造操作机构型Ⅱ的升降和俯仰运动用由R和平行4R机构组成的串联运动链实现,其侧摆、侧移、大车前进方向的移动和侧向冗余移动用四自由度并联机构实现。然后采用基于螺旋理论的约束综合法综合了五自由度并联机构和四自由度并联机构,得到了数种无过约束和过约束五自由度并联机构,以及无过约束四自由度并联机构和过约束四自由度并联机构。