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。     

风洞6_PUS并联支撑机器人运动误差建模与补偿

针对风洞6自由度并联支撑机器人,利用单支链D-H参数方法和摄动法建立了其运动误差模型,编写了误差模型仿真程序。根据风洞实验所需的6种典型运动模式,分析了不同模式下并联支撑机器人输出运动位姿的误差,得到了典型运动模式的误差变化规律。在风洞并联支撑机器人的构件设计和装配过程进行了针对性的误差控制,使设计和制造的并联支撑机器人精度达到了风洞实验的要求,并通过在风洞实验中嵌入与运动误差仿真类似的误差估算程序,再对风洞实验中被试模型的位姿误差进行补偿,实验证明这种方法提高了风洞实验数据的精度。     

五自由度混联机器人逆动力学分析

基于一种具有两转动一移动(2R1T)3自由度的并联机构2RPU/UPR构造了5自由度混联机器人,该5自由度混联机器人具有结构简单、运动学模型简单及模块化程度高的特点。为解决该5自由度混联机器人的动力学问题,首先推导出了并联机构各分支和并联机构动平台独立运动参数之间的3×3速度雅可比方阵;然后求得了并联机构各分支质心速度与动平台质心广义速度之间的速度映射矩阵,并建立了UPR分支和RPU分支的运动学模型,且基于虚功原理建立了并联机构2RPU/UPR的动力学模型;其次运用达朗贝尔原理对并联机构所串联的单自由度摆头进行受力分析,建立单自由度摆头和并联机构动平台之间的力学关系;最后运用Matlab和ADAMS仿真软件,对机器人的理论动力学模型进行了仿真验证,通过所得结果的对比分析验证了理论模型的正确性。     

一种果树攀爬仿尺蠖机器人设计

【目的】利用机器人完成农业高大果树采摘,以便短时间、高效率、低成本地完成采摘任务,进而满足智能农业建设需求,课题组设计了一种果树攀爬仿尺蠖机器人。【方法】仿尺蠖机器人由曲柄滑块机构、弹簧单向锁紧机构、齿轮减速装置三部分构成,夹持装置是两对靠弹簧机构夹紧的“X”型夹持器,齿轮减速装置减速后连接到凸轮和曲柄,曲柄连杆机构使机器人躯干产生伸缩动作,三部分机构互相配合实现机器人爬升。与此同时,设计了传动装置动力参数,计算了曲柄滑块的速度和加速度,并利用动力学仿真软件ADAMS验证了仿尺蠖机器人结构的可行性和运动的平稳性。【结果】仿真结果表明,该结构设计可以实现机器人在30 mm～35 mm变化直径的果树直杆上进行爬行,能够保证果树攀爬的稳定性。【结论】在进行爬升的基础上简化了电动机驱动机构,与多电机机器人相比,结构较为紧凑,有利于提高结构可靠性。     

2TPR&2TPS并联机器人结构参数辨识

并联机器人末端位姿精度对其工作性能影响较大，建立有效的标定算法是提高机器人位姿精度的重要保证。本文以一种2TPR&2TPS并联机构为研究对象，首先对机器人进行运动学分析，采用全微分法得出机器人的误差模型，根据该模型得出机器人结构参数误差与末端位姿误差的量化关系，以及各误差项误差变动对末端位姿误差的影响规律；接着，建立参数辨识模型和标定效果评价函数，验证了参数辨识模型的有效性，再用该模型辨识机器人的结构参数误差；最后，修正运动学模型完成了机器人的误差标定。实验结果显示，标定后机器人的平均位置精度提升68.62%,距离误差均值由7.710 mm降至2.350 mm,精度提升69.52%,实验结果证明本文的标定算法有效。     

多足仿生移动机器人并联机构运动学研究

以一种具有变形关节的多运动模式仿生移动机器人为研究对象,利用坐标变换法构建了并联机构的运动学模型;利用各分支末端之间的几何关系,求解了并联机构的运动学正解,并进行了仿真验证,仿真结果表明该机器人运动学模型构建正确、运动学正解求解正确;利用几何建模和数值求解方法对并联机构的运动学逆解存在性进行了求解验证与分析证明。     

直线驱动型并联机器人反向动力学分析与验证

以直线驱动型并联机器人为研究对象,根据其几何结构模型,利用矢量法建立并联机器人的运动学模型,并得到其运动学逆解、速度和加速度模型。利用虚功原理建立反向动力学模型,分析机械系统中各个运动部件在虚位移下对应的广义力,推导出其动力学方程,并确定其影响因素。给定动平台末端一个已知轨迹,反解出各个电机的力矩,分析得出惯性项是力矩的最大影响因素。通过ADAMS与Matlab联合仿真和负载特性试验,验证了动力学理论模型的正确性,为并联机器人的尺寸综合与轨迹规划奠定了理论基础,也为同类并联机器人控制器的研究与开发提供了理论支撑。     

3-RPS并联机器人粘性摩擦工况动力学建模

以转动副轴线平行布置的3-RPS并联机器人为研究对象,提出一种基于拉格朗日算子修正的动力学建模方法。首先,采用矢量法建立系统运动学模型,基于拉格朗日方程法建立系统理想动力学模型。然后,将关节摩擦视为系统非保守力,基于"库伦+粘性"摩擦模型对关节摩擦所做的功精确量化处理。最后以摩擦所做负功的形式对拉格朗日算子进行修正,建立考虑全部关节摩擦的系统动力学模型。同时对所建立的考虑关节摩擦和忽略关节摩擦的动力学模型进行了仿真对比,结果表明,在一个仿真周期内,移动副1、2、3驱动力的相对误差分别为18.1%、12.6%、16.5%,试验结果为机器人控制系统的摩擦补偿提供了理论依据。     

空间全柔性并联机构动力学分析

针对精密柔性机构多自由度高精度运动的需求,以传统Delta并联机构为基础,设计了一种采用压电陶瓷驱动方式的空间柔性并联机构,基于伪刚体模型进行运动学分析。将从动臂质量分布作简化处理并主要考虑结构中柔性铰链的弹性应变能,利用拉格朗日方程建立动力学弹性振动微分方程,得到其固有频率表达式,并结合实际结构参数得到了相应的理论结果。3个主要运动方向的三阶固有频率的试验结果和理论分析结果误差分别为:12.71%、12.14%和14.90%,有限元仿真结果和试验结果误差分别为:6.20%、5.66%和10.28%,表明理论分析时所作的简化处理合理,得到的动力学数学模型有效、可信。     

长直焊缝自动焊接设备研究

【目的】长直焊缝焊接是工业焊接技术中的一个技术难点,工业设备中长直焊缝的焊接大多采用手工焊接的方法,存在焊接效率低、焊接质量难以保障的问题。【方法】课题组针对工业设备中长直焊缝焊接工艺的特点和要求,设计了一种直角坐标焊接机器人,进行了直角坐标焊接机器人的运动学推导,利用D-H参数建立了直角坐标焊接机器人的运动学模型,并推导了直角坐标焊接机器人的正运动学公式。【结果】该焊接机器人1轴可以根据焊缝的长度自由调整,结构简单,适用性强,极大地提高了焊接效率,提升了焊接质量。【结论】该直角坐标焊接机器人为工业设备中长直焊缝的焊接问题提出了一种切实可行的自动焊接方法,应用前景广阔。     

直线驱动型并联机器人误差模型与灵敏度分析

为提高直线驱动型并联机器人动平台末端执行器位置精度,根据并联机构结构和运动学模型,对影响末端位置精度的各项误差源进行了分析,利用解析法建立动平台末端操作空间与关节空间之间的误差映射模型;在灵敏度误差模型的基础上,依据全域灵敏度评价指标,提出了一种误差源筛选方案,筛选影响位置精度的主要误差源,利用蒙特卡洛法随机模拟并联机器人中各零部件的尺寸误差、驱动误差和装配误差,得知筛选前后动平台位置误差基本一致,验证了评价指标的正确性。以激光跟踪仪为测量工具在任务空间中取点测量,对筛选后的主要误差源进行辨识,修正并联机构的正向运动学模型后,并联机构末端位置精度改善显著,验证了误差源筛选方案的有效性和可行性,减轻了误差参数辨识的复杂程度和计算量,对结构较复杂的机构误差补偿具有一定的指导意义。     

八自由度机械臂位置运动学模型解析解

采用D-H法建立了八自由度农业机器人机械臂连杆坐标系,得到以关节变量为输入的正运动学方程。在正运动学方程的基础上,根据农业机器人实际工况以及机械臂自身的结构特点,设定了约束条件,进行了逆运动学分析,得到了各关节变量的解析表达式,并对正运动学与逆运动学计算结果进行了相互验证。采用ADAMS仿真软件建立了机械臂的仿真模型,进行了运动学仿真,仿真结果与理论计算相符。搭建实验平台,实验验证了正运动学与逆运动学求解结果的正确性。     

新型三平移并联机器人机构动力分析与动态仿真

分析了一种新型3{R∥R∥C}型三平移并联机器人机构的动力学特性，并在ADAMS上建立仿真运动模型，获得了有关运动学及动力学特性曲线，为该类机器人在农业及农产品加工中应用提供了理论依据。     

Tripod并联机器人运动学分析与样机实验

对Tripod并联机器人进行了运动学分析,计算了机构自由度,采用矢量代数法和数值法求出了运动学位置逆解和位置正解。利用Jacobian矩阵的条件数对其进行了运动性能评价,分析了其可达工作空间。计算结果表明该机构具有优越的各向同性性能和广阔的可达工作空间。通过ADAMS和Matlab运动学仿真软件对正解和逆解分别进行了验证。仿真实验结果证明了所建模型的正确性。并对Tripod并联机器人样机进行了精确定位实验、直线插补实验和圆弧插补实验,实验证明机构所建数学模型的正确性。     

半对称三平移Delta-CU并联机构运动误差分析与标定

对提出的一种半对称三平移Delta-CU并联机器人机构进行误差建模和实验分析。在规划执行末端运动轨迹的基础上,采用外部直接标定和修正系统输入的方法对机构的运动学误差进行补偿。在外部直接标定的过程中,为降低系数矩阵中的随机测量误差对执行末端坐标精度的影响,利用整体最小二乘法求解坐标变换参数;以误差数据为样本,通过模糊神经网络模型进行训练,并将训练好的模糊神经网络模型用于Delta-CU并联机器人机构的误差值预测。实验表明,模糊神经网络模型能够对Delta-CU并联机器人机构误差进行精准的预测,有利于提高Delta-CU并联机器人机构的补偿精度,可为Delta-CU并联机器人机构误差补偿提供参照。补偿后其绝对位置精度由1.187 mm提高到0.4 mm,重复位置精度由0.037 mm提高到0.018 mm。     

设施短柄剪切的苹果采摘执行器设计与仿真

【目的】解决现有苹果采摘执行器对视觉定位精度要求高、进刀剪切不便和残留果柄过长等问题。【方法】课题组基于仿生咬切原理,设计了一种大容差采摘执行器。该执行器由并联调姿机构、原地剪切机构和双目视觉等组成;原地剪切机构在并联调姿机构和双目视觉的引导下,可相继实施拢果和断柄操作;重点对该机构的拢果、咬切和进给情况进行了设计计算与运动仿真。【结果】经过ADAMS仿真后发现：设施剪切时,耳轴相对悬置苹果并未产生移动,而相对外套杆上移了19.88mm,与理论计算结果基本一致;同时,咬切组件在运行1s时完成了剪切操作。【结论】该执行器在定位误差6.7%～33.3%范围内都能完成采摘,容差范围大;当内套杆相对外套杆上移19.88 mm,差动进给驱动电机功率约为6.34 W时,能够满足精品苹果一次采摘时间为1 s的要求。     

三自由度并联机器人刚柔耦合动力学建模

三自由度并联机器人在运动过程中存在的弹性变形、刚柔耦合效应等问题,对机构的运动学及动力学性能有很大影响。为得到机构真实的力学性能,以三自由度3—RPS并联机器人为研究对象,考虑机构在运动过程中存在的柔性因素,运用Kane方程法建立三自由度并联机器人刚柔耦合动力学模型。该动力学模型的建立,为进一步对该机器人进行动力学分析提供一定的理论依据。     

五自由度并联机器人机构动力学模型

提出了4-UPS-UPU 5自由度并联机器人机构,建立了机构的动力学模型.推导了UPS和UPU支链的运动学反解的解析方程,并建立了各个构件速度与动平台速度的映射关系;推导了各个运动构件的外力对应于5个驱动杆的等效驱动力,然后用虚功原理推导了4-UPS-UPU并联机器人机构的动力学模型,为支链中驱动力和约束力矩的求解以及整个机构的动力学分析奠定了基础.最后结合机构的工程应用实例,采用Matlab编程对动力学模型进行了实际计算,并绘制了机构驱动杆驱动力和约束力矩的变化曲线,将上述分析结果与ADAMS虚拟仿真结果对比验证了所建动力学模型的正确性.     

片簧型柔顺并联机器人运动规划与轨迹跟踪技术

针对柔顺关节并联机器人系统存在的误差因素,为提高系统整体性能,开展运动规划及轨迹跟踪研究。根据性能要求,设计柔顺关节的结构参数,分析柔顺关节特性,建立机器人系统的分析模型并推导运动学方程。针对柔顺关节轴心漂移引起的杆长误差,提出一种机器人主动杆和从动杆实际杆长的计算方法,修正主动杆关节角的期望轨迹。为补偿系统振动及参数摄动误差,基于径向基(RBF)神经网络设计模型逼近控制算法,跟踪期望轨迹。基于Solid Works、ANSYS、ADAMS及Matlab/Simulink建立机器人系统的虚拟仿真模型。仿真结果表明,提出的运动规划和控制方法将未补偿柔顺关节误差时的机器人末端轨迹误差降低了84%以上,能够有效提高柔顺关节并联机器人系统的运行精度。     

一种新型2-RPC/2-SPC并联机器人的机构分析与研究

首先以一种新型3T1R四自由度2-RPC,/2-SPC并联机器人为研究对象,根据机构特点求得运动学反解的基础上推导出机构雅克比矩阵的显式表达:其次采用矢量法对该并联机器人进行了支链的速度和加速度分析,并基于虚功原理建立了上平台运动与四个驱动之间的动力学关系:最后运用Matlab软件对研究结果进行了数值计算并绘制了机构的运动学及动力学曲线,为该机器人的应用研究和优化设计提供了重要的理论基础.