人体穿戴髋关节助力外骨骼的行走运动学分析

针对现有下肢助力外骨骼研究中缺少对关节层面的运动学分析以及缺少对髋关节外骨骼助力机制的研究这一现状,对一款髋关节助力外骨骼在多种助力模式下的运动进行采集和分析,得到被试在不穿戴外骨骼、外骨骼零助力、外骨骼低助力、外骨骼中助力、外骨骼高助力和外骨骼阻力共6种模式下的运动数据,并通过逆运动学计算和数据分析,得到关节角度曲线和步态特征。实验结果在关节层面明确了髋关节外骨骼的助力机制,可为助力外骨骼的设计和运动控制提供参考。

具有变泊松运动特性的剪叉式折展机构运动学分析

为提高折展机构的折展率和支撑性能,提出了一种具有变泊松运动特性的剪叉式折展机构并对其进行运动学分析。首先,提出了一种单闭环厚板支撑单元并将其应用于三明治结构,利用ANSYS Workbench软件分析不同形状夹芯层对三明治结构支撑刚度的影响,发现采用厚板支撑单元的三明治结构具有更好的支撑效果和更小的质量,且可通过改变结构设计参数来实现正负泊松比的切换。然后,根据泊松比的定义,设计了一种具有变泊松运动特性的正n边形剪叉式折展机构;基于螺旋理论,通过绘制闭环折展机构的旋量约束拓扑图分析得到其自由度为1,将折展机构分为3种模块并阐述了模块化纵向扩展的原理和过程。最后,建立了m层正n边形剪叉式折展机构的运动学模型并搭建了正四边形剪叉式折展支撑结构实物样机,进一步验证了机构的变泊松运动特性,这可为后续的研究提供理论基础。

高速-重载全地形车仿生悬架系统运动学分析

全球自然灾害形势复杂,极端灾害事件呈频发、高发、突发态势。某型高速-重载全地形车作业过程中会产生剧烈振动,传统减振方案存在诸多影响减振效能的潜在因素。从仿生学原理和生物力学机理入手,探究自然界犀牛、袋鼠的生物缓冲特性与全地形车速度快、承载重、冲击强等应用性能之间的内在联系,结合机械原理,研究一套结构紧凑、抗冲击能力强的仿生悬架系统,响应高速-重载全地形车在复杂地形下应急保障工作的需求。结合几何原理建立仿生悬架系统运动学数学模型,求得各输入、输出角位置参数数值算例,并对三维模型展开位置仿真分析,验证数值算例的正确性。在验证其仿真结果与理论计算结果相符的基础上,对相应角速度及角加速度随时间变化的运动轨迹进行运动学分析,验证该机构在运动过程中的平稳性,表明结构设计符合减小冲击和振荡的实际运行需求。运动学数学模型可为后续结构参数优化、确定减振单元性能、进一步实行控制和试验工作提供可靠的数据资料和理论支撑,有助于提高减振系统研究与设计的效率,缩短研发周期,降低研究成本,同时为其他减振系统研究提供有益参考。

基于共形几何代数的工业机器人运动学分析

为解决工业机器人运动学求解复杂程度高、运算量大的问题,将共形几何代数(Confor-mal Geometric Algebra,CGA)方法引入到工业机器人运动学模型构建中。在正运动学求解过程中,利用CGA中平移算子和旋转算子列出各关节的运动表达式,求出机器人末端执行器的位姿;在逆运动学求解过程中,将构造的基本几何体进行外积计算,求得各关节点的位置,然后构造过关节点的线和面,并在CGA框架内做内积,得到所有关节角的余弦表达,求解得到机器人逆运动学的全部解;最后,以MOTOMAN-HP20D型6自由度工业机器人为例进行计算,并通过Matlab/Simulink软件验证了算法的准确性和有效性,为机器人后续的运动控制奠定了基础。

人体下肢康复装置的结构设计及运动学分析

介绍了一种基于平面五杆机构的人体下肢康复装置,旨在满足术后卧床的卒中患者的早、中、后期的下肢康复训练需求。该装置具有简单可靠的特点,可以在床尾侧放置或随患者行走移动。装置主要由下部移动平台、手动升降组件、上部动力传动机构及左、右训练机构组成,并在踝、膝关节通用的关节支架上附有传感器,患者的运动信息可以被实时采集和反馈。运动学分析及Adams软件仿真结果表明,调整该装置双曲柄的初始相位,可以改变关节点的运动轨迹,得到不同运动模式下人体下肢关节运动的范围,达到卧式训练及行走训练的目的,从而满足患者不同康复阶段的训练需求。

基于ADAMS的Stewart平台运动学分析

针对在Stewart 6自由度并联平台设计中,支腿的运动学及动力学参数理论计算过于复杂的问题,课题组提出了基于ADAMS的Stewart平台反解与正解相结合的分析方法。首先,通过ADAMS反解求得支腿位移参数;然后,将位移参数转换为驱动函数添加在各个支腿上;接着,通过ADAMS正解求解支腿其余运动参数;最后,通过实例对比理论计算与ADAMS分析数据。结果表明:课题组提出方法求得的支腿位移与理论值之差均小于0.01 mm,支腿最大速度及最大加速度与理论值误差均小于2%,从而验证了该分析方法的合理性与科学性。该分析方法为工程中遇到的6自由度平台已知动平台驱动函数求解支腿参数的实际问题提供了一种高效的解决办法。

月基装备行走运动学分析与连续步态规划

针对缓冲行走功能一体的月面探测器构型设计困难、步态分析复杂等问题,提出了一种基于相同支链构型的四足月基装备(LBE)设计分析方法与连续步态规划方案。设计复合功能着陆腿机构及整机多状态位姿;构建LBE在行走状态下的单腿运动学模型,对其进行正逆运动学求解,分析单腿与整机工作空间和运动性能;对LBE整机进行水平月面的连续步态规划,并设计单步足端轨迹,通过动力学仿真,验证LBE行走步态稳定性。仿真结果表明:LBE沿前进方向连续稳定运行,质心竖直方向浮动仅占整器高度的0.24%,俯仰角最大摆动幅度为0.34°,翻滚角最大摆动幅度为0.27°。

4自由度番茄采摘机软体机械臂运动学分析

综合考虑番茄采摘机软体机械臂在复杂环境中的使用需求,以此来确定番茄采摘机械的4自由度模型。对番茄采摘软体机械臂进行正运动和逆运动分析,同时确定机械臂结构、关节长度、自由度选择等参数,并绘制出三维模型,从而为下一步选择控制系统硬件及软件编程奠定基础。

6DOF机械臂运动学分析与轨迹规划仿真

为改善6DOF机械臂DOBOT CR3在运动过程中出现的关节抖动、运动轨迹偏差的问题,提出在关节空间采用7次多项式插值算法对机械臂的运动轨迹进行规划。首先采用标准DH(Denavit Hartenberg)参数法建立6DOF机械臂仿真模型并进行正逆运动学分析解出其存在的八组逆解。其次使用蒙特卡罗法画出机械臂的空间点云图,给出机械臂的工作空间范围。最后基于MATLAB对7次多项式插值算法进行运动轨迹规划实验并对常用多项式插值算法进行对比分析。结果表面,经7次多项式插值算法所规划的运动轨迹在空间中平滑连续、无突变,很好满足了实际生产需求。

红花果球喂入分距机构的设计及运动学分析

针对红花采摘机器人末端执行器采摘时由于红花果球挤拢后分散间距小、互相遮挡而使定位不准确的问题,提出一种在红花植株喂入阶段同时对果球进行疏散分距的方法,设计了一种红花果球喂入分距机构,并对机构的主体结构与结构参数进行设计和机构运动学分析,结果表明:整个运动期间,机构运行速度和加速度无瞬时突变,运动平稳可靠,满足设计要求。搭建了红花果球喂入分距性能试验台,并进行试验,结果表明:采用喂入分距作业可减少红花果球的遮挡,分距合格率为92.33%,果球遮挡率为3.15%,植株和果球损伤的比例分别为0.64%和1.05%,该喂入分距机构有效增加了夹持挤拢操作后的相邻红花果球间距,使红花果球呈平面条带状规整排列,降低采摘难度。研究可为红花机械化采摘提供理论依据。

基于几何解析的偏转关节机械臂运动学分析

高负载自重比机械臂在制造业、服务业等领域的不可替代作用日益凸显,针对传统机械臂承载能力提升问题,本文提出了一种偏转关节机械臂及其运动学分析方法。通过分析关节轴线与相邻杆件之间的夹角对机械臂运动特性及承载能力的影响,提出了偏转关节布置形式并设计了偏转关节机械臂。将偏转关节机械臂抽象为等效简易串联机构,根据偏转关节运动特性提取了偏转关节运动方程,建立了机械臂末端位姿解算方法。通过将末端位置参数解耦至距离参量、高度参量、周转角参量,依次建立了关节转角求解公式,获取了偏转关节机械臂全部运动学解析逆解。偏转关节机械臂仿真结果验证了运动学解算方法的可行性与准确性。

基于共形几何代数的并联机器人逆运动学分析方法

运动学分析是并联机器人运动学性能评估和结构尺寸优化的基础。现有并联机器人运动学分析方法存在几何建模与几何计算相分离的问题,本文利用共形几何代数(Conformal geometric algebra, CGA)集几何表示和计算为一体的优势,提出一种并联机器人逆运动学分析方法。根据动平台位姿参数给出动平台刚体运动算子,通过共形几何代数框架下的几何积实现动平台上任意点的刚体变换,得到任意点在运动过程中的共形几何表达式;结合机构中尺寸、几何约束,利用内积运算,建立机构运动学方程;根据运动学方程,进行运动学反解计算和速度分析。以3自由度的3-RPS并联机器人和6自由度6-UPS并联机器人为例,对所提方法进行验证,并将逆运动学推导结果与仿真软件所得结果进行了对比,验证了本文提出方法的正确性。该方法将空间向量和旋转表示等几何对象与矩阵乘法、矢量外积等计算方式相结合,使得并联机器人空间几何问题统一在一个代数系统中进行处理,因此分析过程几何直观性较强,简化了运动学逆解分析计算过程。

基于双混联机器人的镜像铣削系统运动学分析与加工路径生成方法

以一种由双混联机器人组成的镜像铣削系统为研究对象,采用矢量法建立了镜像铣削系统规格化的运动学正逆解模型,其中正解方法较采用牛顿迭代法求解的方法具有计算效率与精度高的优点。提出了一种镜像加工路径生成方法,明确了双机参考坐标系的位姿关系,通过设定薄壁结构件的期望加工壁厚计算位姿镜像对称的刀具与支撑头路径。提出了十轴联动与双五轴联动两种镜像加工路径执行方法,后者较前者具备可重构性与模块化的特点,支持铣削或支撑机器人单机作业,能够满足大工作空间内单机或多机快速现场布置与高效协同加工的需求。为验证所提出的运动学模型与加工路径生成、执行方法的正确有效性,开展了大型薄壁结构件镜像加工试验,试验结果表明,壁厚加工误差可保证在±0.18 mm以内。

反铲液压挖掘机运动学分析及轨迹规划

这城以某型反铲液压挖掘机为研究对象,用螺旋理论对挖掘机进行了自由度分析,对挖掘机进行了参数建模,并基于螺旋理论、微分及对位置方程直接求导的三种方法对挖掘机进行了速度加速度分析,并给出了求解速度加速度的算例,最后求解了挖掘机的工作空间;挖掘机实际工作过程中,由于土壤环境的复杂性,为保证挖掘机平稳连续的工作,在一定运动学约束范围下提出了一种基于粒子群算法的无障碍最优时间轨迹规划;文章进行了挖掘机的Adams仿真实验,对Matlab中进行的数值轨迹规划进行了仿真,结果证明了Matlab中轨迹规划的正确性。文章为反铲液压挖掘机的设计提供了一种参考,提出的无障碍最优时间多项式插值规迹规划在避障的同时节省了工作时间,使挖掘机能更加高效平稳的工作。

电力隧道自动巡检机器人调平系统设计与运动学分析

为了解决机器人在行走过程中车身倾斜导致数据采集失准的问题,设计了一款基于比例-积分(Proportional Integral,PI)鲁棒滑模控制系统的3-RPS并联调平机构。首先,根据螺旋和反螺旋理论进行了构型综合;其次,对3-RPS调平机构进行了动力学分析计算,构建其动力学模型,并在此基础上引入自适应鲁棒滑模算法,对PI控制器进行优化改进,提高稳定性和自适应修正能力,利用李雅普诺夫(Lyapunov)函数对非线性控制系统进行了稳定性验证;最后,通过Matlab/Simulink对比模拟试验,获得控制误差曲线。仿真结果表明,基于鲁棒滑模算法优化后的PI控制系统自适应修正效果显著,大幅度降低了控制稳态误差。研究为3-RPS并联调平机构物理样机研制提供了基础。

混联支路并联腿运动学分析与尺度综合

针对步行机器人在核环境下作业时,动力源分散,不便于防护的问题,提出一种动力源集中布置,可用于构建步行机器人的四自由度混联支路并联腿部机构。运用螺旋理论分析其自由度数目、性质及机构特性。建立了运动学反解模型,并分别推导出驱动空间和关节空间的速度雅克比矩阵。以两个雅克比矩阵条件数为基础,提出了一种带权重的混合条件数,用于综合评价机构的力传递与运动传递性能。以混合条件数最小为尺度综合目标,先通过单调性分析得到结构参数的取值区间,再应用粒子群优化算法获得一组最优结构参数,为样机加工和其他混联支路并联机构尺度综合提供参考。该新型腿部机构动力源统一后置,便于集中防护,驱动空间具有驱动置换功能和半解耦特性,便于实现位姿控制,在核辐射、高温等恶劣环境下有着良好的应用前景。

矿山爆破机器人运动学分析与轨迹规划

为了提高矿山爆破机器人在抓取搬运炸药时的精度和平稳性,以五自由度机械臂为研究对象,研究了机械臂轨迹规划方法。首先,在SolidWorks中建立三维模型,通过D-H参数法建立运动学模型,并完成正逆运动学分析;然后,运用五次多项式插值法进行轨迹规划;最后,在MATLAB中进行仿真。仿真结果表明,角位移、角速度、角加速度变化曲线连续平滑无突变现象;该方法能够有效地规划五自由度机械臂的运动轨迹,提高其在抓取、搬运炸药时的工作效率。

基于Matlab的8R机械臂运动学分析与仿真

为了使凿岩机械臂快速精确到达预定姿态,文章以8R机械臂为研究对象,基于改进D-H方法建立其关节坐标系并推导出凿岩机械臂的运动学方程,在Matlab中利用工具箱函数通过编程建立其运动学模型,通过代入位姿角度验证求解的正逆运动学的准确性。利用蒙特卡洛算法模拟机械臂实际工作空间并对机械臂不同位形间的关节角度进行轨迹规划仿真,仿真出的工作空间图形和路径点位形处的关节位置、速度、加速度曲线结果都能满足机械臂进行凿岩的工作需求,为后面机械臂的孔序规划和动力学分析奠定了基础。

间隔齿链轮设计计算与运动学分析

依据圆环链-链轮的啮合原理,提出与标准圆环链啮合的间隔齿链轮设计计算方法,通过理论推导,得出链轮重要参数的计算公式,为间隔齿链轮链条传动系统设计提供理论依据。同时,对间隔齿链轮-圆环链进行运动学分析,得出圆环链的运动特性。

基于自转一阶非连续式微球双平盘研磨的运动学分析与实验研究

目的分析不同研磨压力、下研磨盘转速、保持架偏心距和固着磨料粒度对微球精度的影响,确定自转一阶非连续式双平面研磨方式在加工GCr15轴承钢球时的最优研磨参数,提高微球的形状精度和表面质量。方法首先对自转一阶非连续式双平盘研磨方式微球进行运动学分析,引入滑动比衡量微球在不同摩擦因数区域的运动状态,建立自转一阶非连续式双平盘研磨方式下的微球轨迹仿真模型,利用MATLAB对研磨轨迹进行仿真,分析滑动比对研磨轨迹包络情况的影响。搭建自转一阶非连续式微球双平面研磨方式的实验平台,采用单因素实验分析主要研磨参数对微球精度的影响,得到考虑圆度和表面粗糙度的最优参数组合。结果实验结果表明,在研磨压力为0.10 N、下研磨盘转速为20 r/min、保持架偏心距为90 mm、固着磨料粒度为3000目时,微球圆度由研磨前的1.14μm下降至0.25μm,表面粗糙度由0.1291μm下降至0.0290μm。结论在自转一阶非连续式微球双平盘研磨方式下,微球自转轴方位角发生突变,使研磨轨迹全覆盖在球坯表面。随着研磨压力、下研磨盘转速、保持架偏心距的增大,微球圆度和表面粗糙度呈现先降低后升高的趋势。随着研磨压力与下研磨盘转速的增大,材料去除速率不断增大,随着保持架偏心距的增大,材料去除速率降低。随着固着磨料粒度的减小,微球的圆度和表面粗糙度降低,材料去除速率降低。