并联仿生髋关节试验机的轨迹跟踪控制研究

针对所设计的3SPS+1PS型并联仿生髋关节试验机,利用拉格朗日方程建立了试验机的解析动力学模型。基于所建立的动力学模型,利用增广PD控制策略,设计了并联试验机基于工作空间的多输入/多输出控制器,并用于试验机动平台的轨迹跟踪控制。将增广PD控制的试验结果与PD控制的结果进行对比,可看出利用增广PD控制器可在一定程度上改善试验机动平台的轨迹跟踪精度。

基于Kane方程的3SPS+1PS并联仿生髋关节试验机动力学研究

针对一种以空间对称3SPS+1PS并联机构为核心模块的髋关节试验机,为分析其动力学特性,基于凯恩方程法,从并联机构的运动学出发,建立了各主动支链与动平台中心点速度、加速度之间的关系。选取动平台中心点的速度和姿态角的导数为广义速率,得到了各构件的偏角速度、偏速度,考虑并联试验机的摩擦环节,建立了库伦摩擦模型;并通过得到的广义惯性力、广义主动力和广义摩擦力建立并联试验机的动力学模型。通过对动力学模型仿真得到主动支链的驱动力和驱动功率,并分析其动力学特性及摩擦力的影响。

3HUS+S型并联仿生髋关节试验机动力学研究

针对一种以空间对称3HUS+S并联机构为核心模块的髋关节试验机,为分析其动力学特性,从并联机构的运动学出发,建立了各直线模组滑块及连接杆与动平台速度、加速度之间的关系。通过得到的动平台质心、连接杆质心及直线模组质心的作用力和作用力矩,基于虚功原理建立了该并联试验机的动力学模型;通过对动力学模型仿真得到直线模组的驱动力矩和驱动功率,为该试验机动力学特性的深入分析和控制策略的研究提供了参考。

基于Grassmann线几何理论的并联髋关节试验机奇异位形研究

并联髋关节试验机的核心运动模块采用3SPS+1PS空间并联机构,由定、动平台及连接两平台的3根SPS支链和1根PS支链构成,具有3转动自由度和1平动自由度。并联机构的奇异特性对其工作性能有着重要影响,因而须对该髋关节试验机的相关性质进行研究。建立基于Rodrigues参数的机构静力学模型,得到静力学转换矩阵的一般表达式,并推导出与6条用于Grassmann线几何分析的直线相对应的Plücker矢量。通过分析各线簇秩的空间分布特点,得到许多新颖的奇异位形,并推导出机构处于奇异位形时的各种约束方程。通过数值仿真,得到线簇秩从1到5的各奇异位形对应的奇异轨迹。髋关节试验机奇异位形的研究对其工作空间分析、机构尺寸优化和控制系统设计具有重要的意义。

髋关节试验机四自由度并联模块运动学与动力学特性分析

由于人工髋关节材料摩擦磨损特性检测结果的准确程度与试验设备运动准确性有关,选用3SPS+1PS并联机构作为试验机髋关节仿生模块的核心部分。通过Pro/E与ADAMS联合对此类并联机构进行建模,然后根据正常人体髋关节的生物运动及力学特性,在ADAMS中对其进行运动学、动力学仿真模拟。通过仿真结果得知:各支链的主要运动集中在并联机构的Z方向上;支链r2的运动曲线最为复杂,其位移、速度、加速度的幅值相对来说最小;r1运动曲线幅值最大。机构承受的外力主要作用在支链r0和球副r01的Z方向。分析结果为此类并联机构的机械结构、误差灵敏度分析及相应控制系统的下一步设计奠定基础。

基于速度椭球的3SPS-1PS并联髋关节试验机尺度综合分析

对一种用于评价人工髋关节材料的3SPS—1PS并联髋关节试验机的结构参数进行了尺度综合分析。将速度椭球概念应用到试验机尺度综合中,利用速度椭球特性,即在给定任务条件下,速度椭球的长轴长度越短,驱动器的驱动速度越低。速度椭球长轴长度等价于其雅克比矩阵最大奇异值,因此为了获得最小驱动速度,以雅克比矩阵的最大奇异值的最小值为尺度综合目标,对3SPS—1PS并联髋关节试验机进行了尺度综合,并利用尺度综合得到的参数对工作空间进行了仿真分析。结果表明,尺度综合后的试验机可达工作空间包含任务空间,满足实验要求。

并联式髋关节摩擦特性试验机驱动机构运动学研究

为了克服现有髋关节试验机在复杂运动轨迹模拟和变载荷动力加载等方面存在的不足,试制了一台以3SPS+1PS并联机构为核心驱动模块的髋关节试验机。基于Rodrigues参数,对该髋关节试验机的驱动机构进行了运动学建模和求解。根据ISO14242-1:2002(E)标准的相关规定,对该机构逆运动学模型进行了数值仿真,得到模拟髋关节运动所需的主动件运动学参数变化规律,确定了该髋关节试验机的运动方案,并验证了驱动件选型的合理性。通过耗时计算,测得Rodrigues参数法求解试验机逆运动学的运算时间,满足控制实时性的需要。

基于超混沌数学规划的3SPS-1PS并联髋关节试验机分岔行为分析

针对一种并联髋关节试验机运动分岔特性进行了分析。将高度非线性分岔方程组转化为数学规划分岔方程,从而利用超混沌序列的"遍历"特性,求解出数学规划分岔方程的全部解,改善了分岔方程组求解的收敛性及收敛速度;并以雅克比矩阵行列式等于零为条件,采用单参数驱动方式对试验机分岔点进行了搜索;并对分岔点附近的路径进行了跟踪。结果表明在路径规划中综合考虑试验机的运动学、动力学及装配构型可以提高其稳定性。

基于PSO-SVM的3SPS+1PS并联髋关节试验机正运动学研究

为了克服传统髋关节试验机在模拟复杂运动轨迹和变载荷动力加载时存在的不足,提出一种以3SPS+1PS并联机构为核心运动模块的髋关节试验机。该试验机有三个转动和一个移动自由度。该试验机的位置正解是其应用的前提,采用粒子群优化(PSO)的支持向量机(SVM),利用位姿逆解结果,通过训练学习,建立正运动学求解模型,进而求得该髋关节试验机的运动学正解。数值仿真结果表明,粒子群优化的支持向量机求解该试验机正运动学的精度满足精确控制的要求。

球面并联式人形机器人髋关节机构运动学与仿生设计

从结构和功能仿生角度出发,提出球面并联式人形机器人髋关节机构,并针对其开展运动学分析与仿生设计。根据人体髋关节结构和运动特性,选取3-SPS/S(S为球面副,P为移动副)球面并联机构作为髋关节仿生原始构型;依据螺旋理论对髋关节原型机构自由度数目、性质及位置反解进行分析;采用遗传算法,以姿态工作空间最大化为目标对并联髋关节机构进行优化;结合人体髋关节实际结构特点,提出偏置输出方式,从而使得机构实际输出空间的形状和位置更加符合人体髋关节运动轨迹需求。研究内容为人形机器人髋关节仿生的理论研究和进一步的样机研制奠定了基础。

基于偏置输出3-RRR+(S-P)球面并联机构的仿生髋关节

首先以偏置输出的3-RRR+(S-P)仿生关节机构为原型机构,依据仿生原则并参照人体股骨结构,确定关节机构的偏置角。然后,提出关节机构工作空间与人体髋关节运动空间相协调的设计原则,进而确定关节机构的安装定位角度,完成人形机器人髋关节设计;建立仿生关节空间与机构空间的映射关系,并对该髋关节的运动学正反解进行求解。最后,通过数值计算证明关节机构可实现人体基本运动,同时使用Xsens Technologies公司的可穿戴式完全无线3D身体惯性跟踪仪及磁性运动跟踪器,采集人体髋关节在实际运动状态下的位姿信息,将获取信息经映射关系转换和反解变换,导入ADAMS模型中进行校验,进一步验证了建立的映射关系、安装定位角度及正反解的正确性。

一种仿人髋关节的机械机构设计及分析

本文针对人体髋关节的结构进行机械机构的设计、分析、建模及仿真,提出了以三自由度球面并联正交机构作为髋关节的运动机理,利用机械原理、机械设计、并联机器人理论和机器人运动分析理论进行仿人髋关节的机构设计与分析的研究。

基于双目视觉的并联仿生髋关节位姿检测

相较于三维坐标测量仪、激光跟踪仪等传统测量设备,双目视觉检测是一种无接触的检测方式,不会对目标的运动产生干扰和破坏,且更为经济、灵活和方便,因此采用双目视觉技术对3-RRR+(S-P)并联仿生髋关节的位姿进行检测。为提高位姿检测的精度、鲁棒性和通用性,设计了一种方便提取且角点可自动辨识的自编码视觉标识物、提出了一种基于边缘交点坐标反馈式的角点检测算法,该算法主要包括HSV色彩空间下的标识物提取、Canny边缘检测、Hough直线检测、亚像素角点检测和三维重建等流程,将标识物角点检测简化为检测标识物边缘线段并求得交点,再经由亚像素角点检测算法进行提纯的过程。最后,通过双目相机与自编码视觉标识物的布置建立并联仿生髋关节的位姿检测系统,进行位姿检测实验并采用激光跟踪仪进行对比实验,通过分析与实验验证:该系统具备较高的精度、鲁棒性和通用性。

仿生爬树机器人髋关节运动精度可靠性分析与优化

以一种非对称空间两自由度并联机构作为仿生爬树机器人的髋关节,能够实现机器人机构沿树干爬升及抱树的复合动作,以此仿生爬树机器人的髋关节为研究对象,基于一阶泰勒展开,建立了包含髋关节机构杆长误差因素、铰链间隙误差因素和机构输入误差因素在内的机构位姿误差数学模型,给定机构参数后,基于所建立误差数学模型,运用蒙特卡罗法得到了髋关节机构运动可靠度,进一步分析了不同误差因素对机构可靠度影响,以及同一误差因素对机构不同方向运动可靠度的影响,并分析了此算例中机构可靠度与机构输入参数之间的关系,最后基于对机构可靠性分析,应用线性加权法对仿生爬树机器人的髋关节机构参数进行了多目标优化设计。