消除约束/驱动奇异的冗余驱动原理及并联腿机构设计

基于约束旋量理论,提出了约束奇异、驱动奇异判别准则,推导得出了消除约束驱动奇异的冗余驱动并联机构设计原理。并据此设计了一种无奇异的R~xR~yT~z自由度冗余并联2RPS-UPU+2SPS腿机构。最后,通过剖析由约束、次生约束雅可比矩阵构成的完整雅可比矩阵的秩,验证了冗余驱动并联腿机构能够完全消除约束奇异和驱动奇异。该研究成果为无奇异并联腿机构的运动规划、性能优化、尺度综合、和运动控制奠定了必要的理论基础。     

含运动分岔闭链的多运动模式并联机构

为了探究变自由度可伸展机构、多轴联动多面加工机床和多步态灵活移动装置等新兴可重构装备的执行机构设计问题,课题组设计了含运动分岔闭链的多运动模式并联机构。并基于螺旋理论对分岔闭链、含分岔闭链的混联支链及并联机构的多种自由度进行研究。课题组提出了一种URRC(万向节-转动副-转动副-圆柱副)构型的运动分岔闭链,该闭链处于奇异位形时有2自由度瞬时运动,一般位形时有单自由度整体空间连续转动或单自由度平面连续运动。进一步,将URRC运动分岔闭链与5自由度RRS(转动副-转动副-球面副)开链串联,得到了一种具备5自由度和6自由度2种独立运动模式的混联支链。最终,将3条对称布置的URRC-RRS混联支链组装为运动分岔并联机构,该并联机构具有3转3移、3转2移、3转1移和2转1移4种运动模式。     

3支链6自由度并联机构运动学研究

为了使并联机构在三维空间完成3个转动和3个移动的动作,可以进行全方位的运动,课题组提出了6自由度2PPRS-RPRS并联机构。课题组描述了该并联机构的构型,建立了机构的运动坐标系;利用螺旋理论求解了机构自由度,并运用修正Kutzbach-Grüble公式验证了自由度求解的正确性;根据支链与定、动平台间的相对姿态关系,推导了支链平面方程,并结合杆长不变条件,推导获得了该6自由度并联机构全部位置逆解的解析解;并基于三维边界搜索法,求解绘制出了机构的可达位置工作空间;最后,通过SolidWorks/Simmechanics的三维运动/参数可视化联合仿真,得到了机构的驱动位移相对时间的变化曲线。研究结果表明该机构构型设计、自由度分析正确,得出了该机构在三维空间内的运动学输入、输出的变化规律。     

具备大转动能力的2-PUR-PSPR并联机构

针对目前复杂曲面工件加工时,需要加工设备具备大转动能力的需求,课题组提出了一种新型的RXRYTYTZ4自由度2-PUR-PSPR并联机构。机构同时采用移动外副和内副驱动,通过相互平行的大行程移动外副的驱动方向变换,辅以移动内副伸缩驱动的调节作用,控制动平台的运动。课题组基于螺旋理论和修正的Kutabach-Grübler公式,计算并验证了该机构的自由度;由机构闭环矢量方程建立位置逆解模型,并借助定杆长等约束条件,获得了该机构位置逆解解析式;基于边界搜索算法,应用MATLAB软件,求解出动平台Y轴方向位移恒定时机构的RXRYTYTZ工作空间。在Solid Works软件中进行仿真分析,结果表明:该机构具有工作空间范围大,动平台转角范围大,运行稳定等优点。课题组的研究可为大姿态转动能力机构设计提供一定参考。     

基于折纸机构设计的新型行走机器人

针对行走机器人存在的驱动复杂、无法适应不同行走环境等局限,基于折纸机构设计出一种新型的具有单自由度的行走机器人的两种腿部折纸构型;通过将三浦折纸(Miura-Ori)折痕转角理论与腿部等效运动学模型相结合,简化运动学的求解并设计出一种新型的驱动方式.将单顶点折纸理论拓展到多顶点的折纸构型之中,得到了不同单元的折痕转角之间的确定关系.提出一种配合折纸折叠状态的步态规划.结果表明,机器人腿部折纸构型能够实现大跨度、大步长的行走步态;由于足部末端的大跨度动作,不与地面发生相对滑动,能够在不同复杂程度的路面实现平稳行走.     

基于少自由度主动支链的2 R1 T并联机构

针对空间串联机构的工业机械臂在执行加工操作任务时,普遍存在刚度强度较差、重复精度较低、能耗较高等缺点。基于3条少自由度主动支链,课题组设计了一种具有2R1T自由度的2-RPU/RPS并联机构。计算并验证了2-RPU/RPS并联机构的自由度,获得了解析形式的位置逆解,证实了该机构仅可能发生运动学正解奇异;依据课题组提出的基于边界数值搜索法的工作空间求解流程,证实了动平台具有沿X方向约80°的较大姿态转动范围;通过Solid Works虚拟运动仿真获得了2-RPU/RPS并联机构驱动位移变化曲线。仿真结果表明:机构各驱动位移变化曲线均波动较小且在合理取值范围,说明驱动器运转平稳、能耗较低。本研究可为基于并联机构的复杂曲面工件多轴加工装备研发提供有益的参考。     

爆发式驱动单足弹跳机器人机构优化设计

本文设计了一种基于Stephenson六杆机构的新型单足弹跳机器人.建立了基于倒立摆系统的姿态控制方案;创新性地利用串联弹性驱动器(SEA)的被动柔性元件实现增大驱动器的瞬时功率;提出了基于内点法的非线性代数超越方程组的快速寻优方法,据此完成了弹跳机构杆长的优化设计,机构冲程/高度比为0.73.最后在专业机器人仿真平台...     

折纸启发的空间可折展末端执行器设计

为解决多自由度可折展机构及折纸机器人等末端执行器的控制问题,课题组提出了一种外部链节间接控制刚性折纸机构的方法.该方法中的机构无需组装,降低了系统的复杂性,且单自由度驱动可使得刚性折纸机构可逆地折叠和展开.课题组将刚性折纸机构与单环闭链机构进行结合,提出了一种空间可折展末端执行器;该末端执行器采用3个固接Bricard...     

单自由度弹跳机构的跳跃稳定性研究

为探究弹跳机器人的起跳稳定性,课题组从机构设计的角度出发,根据蝗虫的腿部结构,提出了一种单自由度6杆弹跳腿机构.以StephensonⅡ型6杆机构为弹跳腿,首先利用闭环矢量方程法进行运动学分析,确定弹跳腿机构的运动学稳定性满足弹跳机器人的起跳需求;然后,对6杆弹跳腿机构的起跳阶段进行分析,确定弹跳机构在起跳时的起跳角度...     

基于位置纠正和Kalman滤波算法的目标跟踪方法

本文基于判别尺度空间跟踪算法,将位置纠正方法和卡尔曼滤波算法应用于行人跟踪中.为解决行人因形变和环境变化导致的跟踪不准确的问题,本文充分利用fhog特征在行人跟踪上的优势,以判别尺度空间算法中的位置滤波器所计算的位置为中心,再次提取行人的fhog特征并将其与位置滤波器模板做相关运算,以此纠正行人位置.其次,利用卡尔曼滤波算法对纠正后的行人位置进行预测和再次纠正,最终在双重纠正的位置上训练新的位置滤波器模板.本文选取OTB-100中的行人数据集对该方法进行性能测试,实验结果表明,在原算法位置上,再次提取fhog特征进行相关运算能够纠正行人的位置,同时卡尔曼滤波对纠正位置进行预测和再次纠正,可使行人的定位精度再次提升.