虎克铰工作空间研究及其在6-HTRT并联机器人中的应用

虎克铰作为一种能够提供两个自由度的铰链机构 ,在各种机构形式的并联机器人中得到了广泛的应用。对虎克铰的工作原理和工作空间作了研究和仿真 ,研究结果用于 6 - HTRT并联机器人的尺度综合 ,使得并联机器人的工作空间范围不受虎克铰运动副转角范围的限制、工作空间体增大、并联机器人的工作空间算法限制因素减少、运动控制算法简单 ,提高了并联机器人机构性能。

并联机器人胡克铰工作空间的研究与应用

提出了胡克铰在并联机器人应用中的关键问题。通过对胡克铰工作空间详细地仿真和研究,建立了分析此类问题的模型拟合法和更加精确的模型解析法,并运用这两种方法分析成对胡克铰的工作空间。研究结果应用于6-PTRT并联机器人的参数设计和干涉检验,使得该并联机器人的工作空间体积增大、并成功避免机器人发生铰链干涉。得到并联机器人胡克铰的工作空间对机器人优化设计,简化运动控制算法,提高其机构性能和安全性有着重要意义。

直线驱动型并联机器人工作空间分析与优化

与旋转驱动型相比,直线驱动并联机器人具有更大的工作空间,但存在工作空间求解较复杂、精度不高和优化目标不合理的问题。针对上述问题,根据并联机器人的结构和运动学模型,提出了一种极坐标变步长迭代搜索法求解并联机器人工作空间,分析各结构参数变化对工作空间的形状、尺寸、对称性的影响趋势。提出一种综合机器人灵巧度与工作空间利用率的全局混合性能指标,并以此为目标函数建立了结构参数优化的数学模型,利用粒子群算法对不同工况下机器人尺寸参数进行优化,得到基于机器人操作性能和工作空间利用率的最优参数,对不同权重下优化得到的参数进行仿真,验证了目标函数的正确性和有效性。通过激光跟踪仪测出的实际工作空间与理论工作空间模型进行对比,验证了工作空间理论模型的正确性,为后续的尺度综合研究打下基础。

虎克铰干涉判定准则及其优化设计方法的研究

以工程上较常采用的由两个相同的直棱柱式铰链架构成的虎克铰作为研究对象 ,给出了一组在各种尺寸关系下用来判断铰链架相对运动时是否会发生干涉的数学公式 ,并在虚拟样机上得到了验证。基于判定准则 。

基于正交机构的机器人肩关节静力学分析与结构参数设计

为了增大机器人肩关节的工作空间和承载能力,改善机器人肩关节的通用性与适应性,提出一种基于3-RRR正交球面并联机构的新型机器人肩关节,并对机器人肩关节进行了静力学分析和结构参数设计。首先,应用虚功原理建立机器人肩关节的静力学传递方程;其次,利用矩阵理论中的范数知识,将力雅克比矩阵引入静力学性能评价指标中,定义了机器人肩关节的静力学性能评价指标和全域力矩性能评价指标,并绘制了静力学性能评价指标在工作空间内的性能图谱。建立了基于机器人肩关节全域力矩性能评价指标的目标优化函数,分析了目标优化函数与全域力矩性能评价指标的关系,并利用全域搜索法,得到了机器人肩关节的优化结构参数：中间杆WB的杆长为49.8~60 mm,连架杆AU的杆长为90~112 mm。分析结果表明,机器人肩关节在初始位置附近具有良好的静力学传递性,且其随着转角的增大而降低。最后,根据优化的结构参数设计了新型的机器人肩关节。

一种新型拟人机械腿的运动传递性能分析

针对当前多数拟人机械腿采用串联机构出现的运动惯性大、承载能力小,不能很好地满足拟人机器人运动特性需要的问题,提出了一种新型拟人机械腿并联机构,介绍了其结构布局特点,该机构具有3个自由度,外观匀称,与人腿相仿度高,在结构上实现了人体踝关节和膝关节功能。建立了该并联机械腿的位置反解方程,基于该方程用矢量法推导出了线速度和角速度雅可比矩阵,分别定义两矩阵的条件数和可操作度作为其运动学性能指标,分析了各性能指标在工作空间内的分布规律。研究结果表明:拟人机械腿速度传递性能良好且稳定,脚掌的运动传递性能几乎不受屈膝角度的影响。仿真结果符合人体腿部的运动要求,为当前拟人机械腿的研究提供了一种新的构型。

三自由度并联机器人运动性能分析与视觉应用

少自由度并联机器人在电子、食品及医药等领域工业产品的拾取作业中得到了广泛应用。文章针对Delta型三自由度并联机器人,开展其运动性能分析与基于视觉的识别抓取应用研究。首先对并联机器人进行结构设计;然后根据动平台与静平台的矢量关系建立数学模型,理论计算求得运动学逆解,利用解析法通过坐标变换获得机器人的工作空间,并对机器人拾取路径进行分析,采用MATLAB与Adams联合仿真验证计算结果;最后通过视觉传感器,基于形状检测实现并联机器人对字母的识别与拾取,为基于视觉的并联机器人研发与应用提供参考。

六自由度液压并联机器人结构优化设计

一般的六自由度液压并联机器人的正解算法十分复杂。为此,针对6-3型并联液压机器人正运动学提出了快速的数值解法;采用数值方法对此6-3并联机器人的工作空间进行了分析;对液压并联机器人进行优化设计,并设计了一种新型的复合虎克铰,该结构较之传统的球铰具有转动范围大、使用寿命长、易维护等优势。

双端虎克铰Hexaglide并联机构零姿态工作空间分析

提出基于坐标变换的虎克铰运动范围求解方法,建立了虎克铰两个旋转副转角的约束关系。结合支链双端虎克铰Hexaglide并联机构特点,对虎克铰两旋转副在并联机构任意位姿下的摆角进行了求解,与虎克铰运动范围结合可判别该位姿下虎克铰是否会发生运动干涉。利用运动学逆解,结合虎克铰干涉判别、导轨长度限制、并联机构相邻支链干涉等约束,对零姿态下Hexaglide并联机构的位置工作空间进行了搜索。并与基于球铰的零姿态工作空间进行对比,得出了基于虎克铰安装方式对Hexaglide并联机构工作空间有较大影响的结论。利用CAD软件对基于虎克铰和基于球铰的工作空间进行了数字样机验证,验证了基于虎克铰运动范围的并联机构工作空间计算的正确性。

并联式踝关节康复机器人的运动学分析及其优化

针对踝关节损伤患者的康复训练需求,提出了一种基于2-RURU/RR并联机构的新型人体踝关节康复训练机器人。首先,利用螺旋理论分析了机构运动输出特性和自由度计算,推导出了机构的姿态角位移和角速度方程,并基于数值搜索法求解出了机构的工作空间;然后,利用运动/力传递性能指标对机构进行了运动性能分析,绘制出了机构的性能分布图谱,借助全域传递性能指标对机构进行了优化设计;最后,基于ADAMS进行了运动学仿真,搭建了踝关节康复机器人物理样机,并进行了康复运动试验。实验结果表明:该踝关节康复机器人的转动中心可调,并且具有无耦合的运动学特性;经过优化后机构的优质传递工作空间占比提高了10.8%。运动学仿真和物理样机研究结果表明:康复机器人的运动范围完全能够满足人体踝关节的康复训练要求,该研究可以为此并联式踝关节康复机器人的研发提供理论参考。

气动三自由度并联机器人设计与仿真分析

为了设计一种具有良好运动学性能的并联机器人,以基于气浮无摩擦缸驱动的3-UPU并联机器人为研究对象,对其进行运动学建模以及工作空间、动力学仿真分析。通过三维建模软件设计3-UPU并联机器人物理模型;根据机器人几何关系推导其运动学方程并基于数值解法得到该机器人的工作空间;采用遍历法求解机器人各支链旋转角度范围,从而得到该机器人在其工作空间的最大输出力分布情况。仿真结果表明,该机器人具有良好的运动学性能。

基于运动/力传递性能的索并联机器人尺度综合研究

索并联机器人使用柔性绳替代传统并联机器人的刚性连杆,以控制末端动平台,在搬运、医疗康复等领域得到了广泛应用。为了解决索并联机器人设计过程中存在的尺度综合问题,对索并联机器人的性能评估指标进行了研究。首先,根据螺旋理论确定了索并联机器人驱动输入与运动输出的运动/力传递关系,并提出了局部运动/力传递性能指标,评估了其在指定工作空间下的全局运动/力传递性能;然后,借助空间模型法,得到了索并联机器人在参数设计空间的性能图谱,并基于参数设计空间的性能图谱,对索并联机器人进行了尺度综合,以得到优化后的尺寸参数;最后,采用了平面3自由度索并联机构的试验样机,对运动学可达工作空间进行了试验验证,试验了得到了优化尺寸参数下的运动可达工作空间。研究结果表明:利用尺度综合方法优化后的机构允许姿态角达到|θ|≤60°的工作空间,占总工作空间的95.1%,可达工作空间提高了29.4%;优化后机构姿态角达到|θ|≤80°的工作空间,占总工作空间的67.3%,可达工作空间提高了81.3%;优化后允许机构姿态角达到|θ|=80°的工作空间,占总工作空间的14.5%,可达工作空间提高了172%。因此,对运动/力传递性能尺寸参数进行优化,可避免索并联机器人工作空间内的奇异位形,满足绳索单向力传递的特性要求,可在索并联机器人设计中作为尺度综合的依据。

并联踝康复机器人的设计与运动性能评价

对于足下垂和马蹄足内/外翻患者,均需对踝关节进行大量、重复性的康复训练,踝康复机器人是弥补人工康复训练不足、降低医师工作强度的关键设备。将踝关节的解剖结构及运动特性考虑在内,提出并研制2-UPS/RRR型并联踝康复机器人样机,可保证人-机转动中心近似重合。同时,搭建了作用力/矩信息采集平台,实现踝关节的被动、主动及人机交互训练,提高了机器人、患者及医师之间的交互能力。建立了踝康复机器人的运动学模型,通过求解其位置逆解,得到了机器人的理论工作空间。借助机器人样机的3转动自由度,精确地测量得到踝关节全域范围内的生理运动范围。通过机器人样机的全范围自主运动,记录并获得装置的有效工作空间,机器人有效工作空间小于理论工作空间,有效工作空间的测量具有较大的实际意义。进一步,对比分析机器人样机的有效工作空间和踝关节生理运动范围可知,两者在踝全域运动范围内的吻合度可达95%,较好地保障了踝关节康复所需要的运动空间。基于并联踝康复机器人的量纲一速度雅可比矩阵,对机器人的可操作度、灵巧性等运动学性能进行了分析,结果表明踝康复机器人在工作空间内不存在奇异位形且具有良好的运动学性能。

绳索驱动腕部并联康复机构设计与逆运动学分析

针对现有腕部康复机构运动范围小,存在柔顺性和舒适性差等问题,提出一种新型绳索驱动、压缩弹簧支撑的柔性并联腕部康复机构。机构定平台、动平台由三根绳索和压缩弹簧连接,弹簧用来模拟腕骨与韧带复合体,起支撑并限制与掌骨相对应的动平台运动;动平台模拟掌骨末端,定平台模拟桡骨和尺骨末端;三根绳索模拟肌肉来驱动并联机构。考虑弹簧轴向位移以及柔性问题,基于有限转动张量法和力与力矩平衡分析方法,构建系统逆运动学数学模型,得到运动学和静力学联合求解的非线性方程组。通过对机构模型分析,完成0~75°下各绳索长度和拉力的数值求解。通过仿真与试验得到人体腕部生理运动空间和机构有效工作空间,验证了机构的合理性和分析方法的正确性。所提出的求解方法对康复机器人和绳索驱动并联机构设计具有积极的促进作用。