绳索驱动下肢训练机器人系统运动稳定性分析

针对绳索驱动下肢训练机器人的稳定性问题,本文建立了绳索驱动下肢训练机器人的运动学和动力学模型,给出了绳索拉力优化解的计算表达式,并推导获得了机器人的系统刚度解析表达式。考虑不同训练对象承受运动强度的能力不同,定义了速度影响函数。综合考虑绳索拉力、系统刚度和速度影响函数等因素定义了机器人系统的运动稳定性评价指标,并通过稳定工作空间、抗干扰稳定工作空间和不同训练轨迹的实例计算明确了机器人工作空间内中上部区域的运动稳定性能更好,为运动支链中的过轮运动规划和训练任务规划提供了理论依据。

三自由度绳驱动波浪补偿装置的动力学建模与振动特性分析

受波浪运动的影响,在使用起重机进行海上补给作业的过程中,吊具容易产生不良运动,严重影响了补给作业的效率和安全性。为实现船用起重机在横摇、纵摇和升沉方向上的波浪补偿功能,提出了一种三自由度绳驱动波浪补偿装置;首先,考虑到不均匀装载工况,基于Newton-Euler法建立了补偿装置的动力学模型,并通过Adams虚拟样机仿真验证了数学模型的正确性;其次,对不均匀装载工况下的绳索张力分布情况进行分析,得到了吊具重心位置的危险分布区域;再次,采用特征值法求解补偿装置的一阶固有频率,得到了载荷质量、绳索刚度以及吊具位姿对补偿装置一阶固有频率的影响规律;最后,在理论分析的基础上,通过试验验证了补偿方案的可行性,并证明了数学模型的正确性。

一种绳驱动AUV布放回收装置的结构设计与动力学分析

为了提高自主式水下航行器(AUV)布放回收的安全性和效率,以船舶起重机为基础,设计一种不仅能通过绳索自主调整吊笼的姿态,而且具有良好减摇效果的AUV水面布放回收装置。分析该装置的结构特性和机械理论模型,采用坐标转换法对吊笼的运动学位置、速度和加速度进行分析,并通过MATLAB软件对其进行仿真验证。在运动学模型的基础上对装置进行动力学分析,并利用ADAMS搭建绳索系统的虚拟样机并进行无激励和存在激励仿真验证。研究结果表明:在受船舶激励的情况下,横摇的减摇效果为78%,纵摇的减摇效果为75%;在给定轨迹下,4根绳索的变化比较稳定,能通过绳索调整吊笼的姿态,进而安全高效地完成AUV布放回收工作。

绳驱动双足机器人腿部动力学建模及参数辨识研究

绳驱动机器人因具有高效力传导以及本质柔性的特点而受到广泛关注和应用,但也存在关节耦合、动力学模型复杂和参数辨识困难等问题。为此,针对绳驱动双足机器人,提出了一种基于传感器的整体辨识方法,用关节角度和电流信息克服传统力传感器的弊端,降低双足机器人整体开发的难度。首先,建立完整的绳驱动力学模型,并运用模式识别算法优化生成的激励轨迹;然后,在实物机器人上执行优化后的轨迹,并通过传感器采集关节角度和电流信息;最后,使用具有物理一致性的最小二乘法进行动力学参数估计。采用M02型绳驱动机器人双足部分进行动力学参数辨识试验,并将所提方法辨识得到的预测结果与实际结果进行了对比。试验结果表明,预测力矩和实际力矩之间的相对误差最小可以达到13.36%。这说明所提出的基于关节角度和电流信息的整体辨识方法可以有效应用在利用绳驱动的双足机器人上。

基于绳索驱动的清仓机器人设计与分析

为了解决煤仓堵塞问题,设计一种承载能力强、工作范围广和易于调整工作姿态的基于绳索驱动的清仓机器人。建立清仓机器人绳索驱动并联机构的几何模型;进一步分析了清仓机器人的位姿正逆解;采用Matlab软件进行数值仿真分析。该清仓机器人仿真得到的绳长变化、速度以及加速度曲线光滑,表明机器人具有良好的运动性能。研究结果为深入研究清仓机器人控制策略提供参考。

曳引驱动乘客电梯非金属对重反绳轮轮轴断裂断口形貌分析

某曳引驱动乘客电梯非金属反绳轮运行过程中突然发生轮轴断裂,采用电子扫描电镜对轮轴断口金相组织进行分析,利用能谱分析仪对轮轴挂板、轮轴进行成分分析,并对轮轴挂板、钢丝绳、轮轴进行了显微硬度测试及其磨损观察。结果表明,轮轴挂板、轮轴的材质成分及其硬度符合要求,轮轴凹槽处为疲劳源,曳引钢丝绳从反绳轮中脱槽后钢丝绳绕着轮轴一直摩擦运行是反绳轮轮轴疲劳断裂的主要原因。

煤矿智能单轨吊研究进展与关键技术

分析了目前常用的5种矿用单轨吊(即防爆柴油机单轨吊、防爆蓄电池单轨吊、气动单轨吊、绳牵引单轨吊和电缆拖挂单轨吊)的优缺点,指出防爆柴油机单轨吊和防爆蓄电池单轨吊因运输能力强,已广泛应用于煤矿井下设备及物料运输,防爆蓄电池单轨吊因其绿色清洁的特点,逐渐成为煤矿井下辅助运输的重点研发装备。从电池驱动、定位、测控、信息传输4个方面分析了矿用单轨吊系统的研究现状,指出目前的矿用单轨吊系统存在自动化、智能化水平低等问题,要实现单轨吊智能化运输,需研究单轨吊锂电池防爆及电池管理、全局与局部融合精确定位、多传感器信息融合智能测控、边缘计算信息传输等关键技术。针对锂电池防爆及电池管理技术,提出了基于变密度法的防爆大容量锂电池结构拓扑优化设计方法,及基于改进麻雀搜索算法/遗传算法的均衡管理方案;针对精确定位技术,提出了惯导+里程计融合的全局定位方法,及基于视觉+UWB组合的局部定位方法;针对智能测控技术,提出了基于递推最小二乘算法/二阶近似扩展卡尔曼滤波的智能检测方法、随动电子围栏实时构建方法和基于模糊规则的矢量控制方法;针对信息传输技术,提出了基于融合5G网络的“本地-近程-地面”通信系统架构,及基于边缘计算的分布式数据计算及传输方法。煤矿智能单轨吊关键技术问题和解决方案的提出,为加快煤矿智能单轨吊发展提供了一种新思路。

绳索驱动式环形天线传动系统的动力损耗建模与应用

传动系统是大型可展开天线的重要组成系统,在其展开过程中起到驱动天线展开的作用。针对绳索驱动式环形天线在轨展开动力损耗问题,基于理论力学及摩擦学原理,分析得到动力绳绕过线轮动力损耗模型,该模型给出了动力绳与过线轮之间分别在静、滑动摩擦工况下的动力绳传动效率计算公式,揭示了摩擦效应对传动系统效率的影响机理;在此基础上,修正了已有绳索驱动式环形天线展开动力学的系统模型,实现了环形天线展开过程精准仿真与实验验证。文中提出的动力损耗模型可为绳索驱动式环形天线的展开设计与优化提供重要理论参考。

仿人指绳驱机械手结构设计与运动学仿真分析

机械手在水下资源开发与科考活动中发挥着重要作用,针对刚性连杆机械手抓取方式单一和抓取柔顺性差的问题,设计了一种仿人指绳驱机械手。基于D-H参数法构建了手指运动学模型,完成正运动学求解;通过蒙特卡洛法生成手部的工作空间,对三种抓取模式下手指的运动轨迹进行仿真分析。研究结果表明,机械手具有良好的自适应抓取能力。

仿象鼻绳驱连续型机械臂结构设计及运动学分析

机械臂在水下探测与资源开发中起着至关重要的作用,针对传统刚性机械臂体积大和复杂狭窄环境通过能力差的问题,设计了一种仿象鼻连续型机械臂。基于坐标变换法构建了机械臂的运动学模型,完成正逆运动学求解,对机械臂单关节、多关节进行仿真分析,结果表明机械臂具有较高的柔顺性及灵活性。

绳驱动假肢手指参数优化及抓取力分析

鉴于实现假肢手指类人手指运动规律在假肢手设计中的重要性,通过对假肢手指运动学进行分析,得到假肢手指关节转角与弹簧刚度的关系,并采用数据手套对人手食指自然弯曲过程中各关节转角进行采集,在此基础上,以假肢手指弯曲过程中关节转角与人手食指相近为设计目标,对假肢手指的参数进行优化,得到满足目标的弹簧刚度。最后根据虚功率原理建立假肢手指静力学模型,并将得到的数学模型与ADAMS虚拟样机的静力学仿真结果进行对比,验证了所建立的静力学模型的合理性。

结合IMask R-CNN的绳驱机械臂视觉抓取方法研究

绳驱超冗余机械臂具有灵活性强、工作空间大等特点,在航天活动中可替代宇航员进行各种航空作业。以空间飞行器在轨维修为研究背景,模拟其实验环境,设计了一套基于RGB-D的可移动绳驱超冗余机械臂定位抓取系统。首先改进了Mask R-CNN算法,在保证检测精度的同时降低模型尺寸,通过Intel RealSense D435i采集图像输入到目标检测模型得到目标的类别和位置信息,进一步利用自适应末端位置更新算法递推机械臂的正逆运动学模型,并结合轨迹规划完成目标的三维空间定位和抓取。实验结果表明,改进后的Mask R-CNN算法能在保证精度的情况下有效地降低模型尺寸,抓取系统的逆运动学求解速度快,具有较好的定位精度,能够有效地完成飞行器抓取的任务。

三平动绳牵引并联机器人轨迹预处理算法

研究了一种新型飞行摄像平台,能够实现摄像机在大范围的三维空间内可以沿任意轨迹快速运动的摄像平台;摄像平台的运动由四台伺服电机带动四根缆绳并联拖动;绳牵引并联机器人是一种将电机的运动和力以绳为介质并行地转换为末端执行器运动和力的装置,具有结构简单、工作空间大、惯性小等优点;运动过程中满足轨迹光滑、不能出现停顿、振动,为了获得连续、平稳、无噪声的轨迹,文章采用轨迹预处理的方法,当出现轨迹不光滑,且影响了拍摄质量的情况下,采用三次样条圆弧插补的方法对其进行光滑处理,仿真结果表明该圆弧插补预处理算法能够很好地解决吊舱在高速运行而引起加速度过大的问题,进而达到提高运行效率的目的。

一种四自由度运动平台及其姿态控制方法

为了减少无人机飞行控制算法调试的困难,需要一种地面试验设备以托举并限制飞行器的运动。为此提出了一种由绳索和丝杠复合驱动的四自由度运动平台,该平台垂直方向的直线运动由电机驱动丝杠提供,3个旋转方向的运动由4个电机拉动绳索驱动。为了实现该平台的位置和姿态控制,建立了该平台的动力学模型。由于平台各方向不同的动力学特性,使用模糊控制器实现的姿态补偿方法提高了系统的跟踪性能。通过仿真实验表明,该系统各方向调节时间小于0.2 s,位置跟踪误差为0,具有响应速度快、抗干扰能力强、定位精度高等优点,可以辅助完成飞行器控制系统的调试工作,具有重要的应用价值。

绳驱动五指灵巧手的设计

通过研究人手的生理结构特点,模仿人手结构,应用欠驱动原理和适应性原理对五指灵巧手进行了初步设计。该灵巧手共有16个自由度,采用了绳驱动机构,具有结构简单、重量轻等优点。通过灵巧手模型的抓取实验,验证了其运动方式和抓取性能。

矿井天轮在线切削精度测量设备的柔性误差预测

矿井天轮绳槽要求切削精度在±0.5 mm,用于切削加工的在线测量设备为自驱动关节臂坐标测量机,由于其柔性产生的变形使测量机的测量精度无法保证,建立了测量机的理论模型与三维仿真分析模型,通过刚柔耦合仿真分析确定测量机的测量误差值。将仿真结果用RBF神经网络进行预测,确定测量机的模型参数与误差值的关系。通过对比,建立的RBF神经网络能够实现柔性动态变形误差最大值为5.16×10^-4 mm的高精度预测。

船用批量换乘吊篮减摆装置的设计及动力特性

救助船在海上使用吊篮进行伤员转移时,船舶在波浪作用下使吊篮发生大幅摆动,为避免吊篮摆动对伤员造成2次伤害,设计了一种绳驱动刚柔混合型吊篮减摆控制系统,并基于达朗贝尔原理建立了系统的动力学精确模型,将刚柔混合模型应用到船用吊篮减摆控制与仿真中。仿真结果表明:驱动绳索的各个指标是平稳连续的,数值的变化也都在合理范围内。通过加装刚性球铰式伸缩套管,吊篮的4根控制绳索受力分别减小了约24.1%、23%、26.4%及25.1%,确保了吊篮系统的安全性。该船用吊篮减摆装置能够实现船舶主动运动的补偿,具有良好的摆动抑制效果。

四自由度绳驱动刚柔混合式波浪运动补偿机构的动力学建模

为了避免船舶过驳吊运过程中货物与甲板间的碰撞,提出一种安装在船用吊装设备的四自由度绳驱动刚柔混合式波浪补偿运动机构。首先,设计该波浪运动补偿机构的实验装置,基于螺旋理论验证该波浪运动补偿机构的可行性。然后,基于代数法建立该波浪运动补偿机构的位置正/反解模型,并推导该补偿机构结构的运动学模型,最后,基于牛顿-欧拉法建立该波浪运动补偿机构的系统动力学模型,运用仿真软件对所推导的数学模型进行验证。研究结果表明:该波浪运动补偿机构的位置正/反解的误差数量级为10-5 mm;运动学和动力学模型的MATLAB数值模拟结果与Adams虚拟样机的结果基本吻合,最大相对误差为理论值的1.6%,在可接受的范围内,表明本文提出的四自由度绳驱动刚柔混合式波浪运动补偿机构能够实现主动波浪运动补偿。

两关节绳驱式欠驱动手爪设计与仿真分析

传统攀爬机器人的抱持机构都是采用全驱动的机构,具有结构复杂,控制繁琐,无自适应的缺点。为了改变这种状态,提升攀爬机器人抱持机构的抱持性能,设计了一种基于绳驱式欠驱动原理的抱持机构,具有结构简单,驱动源较少,自适应好的优点。同时对此欠驱动机构进行静力学模型的建立,并运用ADAMS/Cable模块对欠驱动手爪进行运动学以及动力学仿真分析。此仿真方法为绳驱式欠驱动手爪仿真提供了一种新的方法,并通过仿真验证轮手抱持杆件的可行性,从而验证了欠驱动手爪作为攀爬机器人抱持机构的可行性。

绳驱动并联机器人绳索拉力及工作空间求解方法研究

绳驱动并联机器人的驱动冗余性导致绳索拉力的求解复杂性、工作空间成为系统的重要指标。文中建立了机器人系统静力学和动力学的统一模型,对绳索拉力求解优化算法以及工作空间求解方法进行研究,通过MATLAB仿真求得了4根绳驱动康复机器人系统驱动绳索拉力和工作空间,验证了绳驱动并联机器人绳索拉力优化求解方法和工作空间计算方法的正确性。