可折展管道蠕动并联机构设计与运动仿真

为探索管道蠕动机构及其移动方式,设计一种具有折展能力的3-URU管道蠕动并联机构。该机构支链运动副R与U的空间位置关系能等效成Sarrus结构,可实现并联机构的折展,对折展原理和折展干涉进行分析,求得该机构折展比,并通过仿真验证其折展效果。应用螺旋理论计算该机构自由度,求解位置正解方程,并通过蒙特卡洛法求得该机构的工作空间。在管道内对机构进行蠕动步态规划,并利用ADAMS软件进行管道内的蠕动步态验证,得到两平台位移曲线和支链转角变化曲线。研究表明,该并联机构可实现管道内的蠕动,且折叠后体积较小。     

四面体式折展机械臂设计与分析

为解决现有部分机械臂收拢率低、末端姿态不可调节等问题,基于四面体单元提出一种折展机械臂机构。首先,阐述了一种单自由度四面体单元机构,该机构具有高刚度和较好的折展性,基于螺旋理论分析了四面体单元的自由度;其次,将多个四面体单元通过特定组合构造一种多自由度折展机械臂机构,以2个四面体单元组成的机构为例,基于几何方法求解各节点的位置、姿态和速度,并得出多个单元组合机构的运动规律;通过ADAMS仿真分析对运动理论分析结果进行验证,应用Workbench有限元仿真软件进行静力学和模态分析;最后,进行了折展实验。研究表明,基于四面体单元的折展机械臂具有多自由度、姿态可调及大收拢率的特点。     

具有3T、2T1R和2R1T模式的并联机构构型综合

基于具有2R1T和2T1R运动模式的并联机构,在其动平台上串联平面平行四边形机构后,提出了一种混联变自由度支链,分析了串联变自由度支链和混联变自由度支链的运动模式。采用旋量理论分析了具有串联和混联变自由度支链的机构在运动模式变换过程中的自由度特征,验证了该机构在不同运动模式下驱动副选取的合理性。在机构自由度和机构驱动副选取合理性分析时,选取不同的杆件作为动平台,简化了分析过程。结果表明,该含有混联变自由度支链的并联机构具有3T、2T1R和2R1T运动模式,当该机构在上述3种运动模式的一般位形下,3个驱动副可以实现对机构的控制。机构在从3T运动模式变换为2T1R运动模式时,机构需通过3T1R瞬时自由度位形;机构在从2T1R运动模式变换为2R1T运动模式时,机构需通过2R2T瞬时自由度位形。当该机构在运动模式变换时,处于3T1R或2R2T瞬时自由度时,机构处于约束奇异位形,需增加1个辅助驱动副,以实现机构运动模式的变换。该机构使用较少的驱动副可以实现多种运动模式,运动模式变换时不需对机构进行重新组装,可以快速实现机构重构。     

基于机器视觉的农业机器人运动障碍目标检测

在农业移动机器人平台上运用机器视觉技术检测作业环境中是否存在运动障碍目标时,机器人自身运动会与障碍目标运动叠加在一起.为此,首先在移动机器人平台上连续采集两帧图像,提取其特征点并加以匹配;然后应用双线性模型描述对应特征点在图像之间的运动特性,并用最小二乘法对模型参数进行最优估计,得到两帧图像之间的变换矩阵;最后利用此变换矩阵补偿前帧图像来消除机器人自身运动的影响,再与后帧图像作帧差,在线检测出运动障碍目标.实验结果表明,该方法仅依据图像信息即可有效地检测出农业机器人导航环境中存在的运动障碍目标.     

六面体可展机构自由度与运动特性分析

针对一种空间多环耦合六面体可展机构自由度分析问题,提出了选取动平台、建立等效串联分支、构建等效并联机构,进而基于并联机构自由度分析理论得到六面体机构自由度的分析方法。首先,选取多个构件组成的运动链整体作为动平台,基于螺旋理论建立动平台的所有运动等效串联分支;然后,减少动平台所含构件数,重新建立等效串联分支;最终将原机构等效为动平台仅由1个构件组成的传统并联机构。这样逐渐降低了原六面体机构的耦合度,从而降低了其自由度分析的难度。建立了六面体可展机构的仿真模型,通过施加不同的驱动对六面体机构的运动规律进行了分析,并讨论了该机构的折叠性能。本研究为此六面体机构的力学特性分析奠定了基础,提出的自由度分析方法为其他多面体可展机构自由度分析提供了思路。     

具有2T1R与2R1T运动模式3自由度并联机构型综合

使用位移流形理论综合了具有2T1R与2R1T两种运动模式的并联机构。选取一种具有此类运动模式变换的机构,分析了其自由度变换时的位形特征,使用螺旋理论分析了其在不同运动模式下的自由度特征,分析了支链驱动副选取的可行性。结果表明,该并联机构具有2T1R与2R1T两种运动模式。在两种运动模式的一般位形下,使用3个驱动副可以实现对机构的控制;在两种运动模式的变换位形下,支链2连接动平台和定平台的2个转轴共线,机构自由度为4。在支链1中增加辅助驱动副,此驱动副只在机构运动模式变换时工作,可以实现并联机构在2T1R与2R1T两种运动模式之间变换。     

四自由度两模式并联机构结构综合与位置分析

为设计可实现一机多用的并联机构,提出了多模式并联机构的结构类型综合方法以及操作模式分析方法。首先利用方位特征集方法,综合得到一类(640种)具有运动分岔特性的4自由度并联机构;然后从中优选出一种机构进行操作模式分析,分析结果表明:机构处于分岔奇异点时动平台瞬时自由度为5,此时采用冗余驱动的方法可引导动平台通过分岔奇异点顺利到达三平移一转动或两平移两转动模式;最后推导了该并联机构处于上述2种操作模式时的位置正、逆解分析方程,得知位置逆解方程和三平移一转动模式时的位置正解方程均可解析求解。     

平面折展机构S形柔性铰链设计与试验

设计平面折展柔顺机构的关键技术之一是设计柔性铰链。提出了一种用于平面折展柔顺机构的S形柔性铰链,设计了该铰链的结构形式,并对其等效刚度进行了分析,推导出该结构形式铰链的弯曲等效刚度和扭转等效刚度计算公式。通过设计实例的理论计算和有限元仿真分析,验证了计算公式和仿真模型的正确性。制作了基于S形柔性铰链的平面折展柔顺滑块机构的实物模型,仿真分析和测试结果表明,该机构在工作状态可具有较大变形,并且滑块位移达到76 mm时仍能保持良好的精度,仿真与测试结果基本一致,误差仅为0.76%。     

基于强化学习的农业移动机器人视觉导航

以强化学习为基础,结合模糊逻辑理论研究了农业移动机器人通过自主学习获取导航控制策略的方法。首先使用机器视觉检测环境障碍并获取障碍物相对于移动机器人的方向和距离信息。然后应用强化学习设计了机器人自主获取导航控制策略方法,使机器人能够不断适应动态变化的导航环境。最后基于模糊逻辑离散化连续的障碍物方向和距离信息,构建了离散化的环境状态,并据此制定了自主导航学习Q值表。在自制的轮式移动机器人平台上开展了试验,结果表明机器人可以在实际导航环境中自动获取更优的导航策略,完成预期的导航任务。     

平面折展升降柔顺机构设计

基于微型升降机构的工作原理,设计了一种平面折展升降柔顺机构,建立了该机构的伪刚体模型,利用虚功原理推导出平面折展升降机构的输入载荷与输出位移关系的计算公式。设计了基于LET铰链和LOOP铰链类型的平面折展升降机构实例,并对其中包含弧形片段的LOOP柔性铰链的弯扭耦合等效刚度进行了研究,分析得到其弯扭耦合等效刚度计算公式,通过2个设计实例的理论计算和有限元仿真分析,验证了理论公式和仿真模型的正确性。设计了基于LOOP铰链的升降机构的实物模型,计算、仿真分析和测试结果表明,该机构可产生较大提升量并且仍能保持良好的精度,达到了设计目标。     

轮-腿复合移动机器人RUPU-RUPR球面并联腿机构动力学研究

提出了一种二自由度球面并联腿机构,并以该机构为基础,设计了一种结构简单且越障性能良好的轮-腿复合移动机器人。阐述了该机构的组成,采用解析几何法和闭环约束方程构建了RUPU-RUPR球面并联腿机构的位置逆解、工作空间、速度和加速度模型,并验证了其准确性。运用牛顿-欧拉法建立了RUPU-RUPR球面并联腿机构的动力学模型。在给定动平台的运动规律和外力后,通过动力学方程求解出RUPR驱动支链驱动力,RUPU驱动支链驱动力矩以及RUPR驱动支链约束力矩,并给出动力学模型仿真解。结果表明该机构具有良好的工作性能。     

多喷枪协同式喷涂五轴混联机器人设计

针对大型扁平型立方体工件的喷涂工艺特点,将并联机构应用于喷涂工艺,设计了一种控制解耦性很好的五轴混联喷涂机器人,阐述了这种喷涂机器人的机构设计、工作原理、运动学分析、驱动方式、控制系统硬件组成及其控制方式。该机器人具有结构紧凑、喷涂效率高、涂层厚度均匀和操作简便等特点,具有较好的应用前景。     

含恰约束支链的驱动变胞机构构型综合与分析

不同于现有利用约束奇异和支链奇异实现的变胞并联机构,通过开启与锁死驱动副的方式,基于3-RRR球面机构(Sm),利用螺旋理论提出了一类含主动混联恰约束支链的多模式驱动变胞并联机构。针对所综合的3-SPS/SmPU驱动变胞并联机构,根据螺旋理论分析机构各构态的自由度,利用机构的结构特征和几何约束关系建立其运动学模型。此种通过开启与锁死驱动副实现并联机构变胞的方法也适用于其他变胞并联机构的构型综合,其变胞方式简便易行,全构态逆运动学求解简单,且该类变胞并联机构可有效避免变胞过程中的约束奇异和支链奇异。     

柔性并联机器人动力学建模

针对一般柔性并联机器人动力学模型,提出了一种精确而简单的动力学建模方法.根据并联机器人结构特点,将其划分为若个刚性子结构和弹性子结构,形成一个刚柔结合的系统.静平台和动平台相对其他构件变形较小,将它们作为刚性子结构,各个支链作为弹性子结构.分别建立各子结构的动力学方程,弹性子结构采用有限元法和模态综合法建立其动力学方程;考虑各个柔性支链弹性变形对刚性子结构的影响,建立刚性子结构动力学方程;推导出相邻的刚性子结构和弹性子结构之间的几何约束关系.通过相邻子结构的协调矩阵,将各个子结构的方程进行装配形成系统的弹性动力学方程.通过一种高速并联机械手的动力学特性比较分析,表明该方法的正确性和可行性.由于引入刚性子结构和采用了模态综合法,减少了系统自由度数,从而简化了计算模型,为柔性并联机器人提供一种实用的建模方法.     

仿腕关节柔顺并联打磨机器人设计与试验

根据柔性并联机构逆向自适应运动原理,设计了一种3转动输出的3SPS+S仿腕关节柔性并联打磨机构,建立了机构运动方程,得到了柔性支链变形量与动平台姿态的关系;分析了柔性支链的变形力以及打磨工具打磨力、输出力矩情况,并建立力学模型;以打磨工具姿态变化和打磨力恒定为目标,对建立的三维模型进行仿真,并通过样机模拟得到机构的工作参数范围;仿真和试验结果表明,这种打磨机构可根据工件曲面几何形状的改变而实时改变打磨工具姿态,在有效控制力的前提下可保持打磨头和工件间的接触打磨力不变,该机构设计简单、运动灵活、方便控制,具有较好的应用价值。     

三平移并联机器人机构的精度分析

针对一种具有相似平台的3-TPT型三平移并联机器人，根据该机器人的位置反解方程，利用全微分理论建立了该机器人精度分析的数学模型；通过计算机仿真研究了机器人的驱动杆杆长误差、结构尺寸变化和位姿变化对机器人精度的影响，为该机器人机构的实际误差补偿与控制提供了理论依据。     

基于Delta并联机构钵苗移栽机器人尺度综合与轨迹规划

Delta并联机构具有速度快、运动精度高、灵活性强等特点,非常适合穴盘育苗过程中的移钵作业及补苗需要。基于三自由度Delta并联机构和气动取苗爪,设计了一种高速钵苗移栽机器人。通过建立Delta并联机构的单支链约束方程,求解出钵苗移栽机器人的可达工作空间;为使其可达工作空间尽可能接近设计工作空间,以机构雅可比矩阵条件数作为惩罚条件,建立起兼顾钵苗移栽机器人整机尺寸与运动学性能的尺度综合目标函数,并应用遗传算法得到机构最优尺寸参数。根据盘到盘钵苗移栽的运动要求,对移栽轨迹进行规划并选取五次多项式作为移栽动平台的运动规律函数。基于机构尺度综合和轨迹规划设计物理样机,并进行盘到盘的钵苗移栽和健壮苗补苗性能试验,结果表明:随着移栽动平台携苗运动最大加速度的提高,钵土破碎率逐渐加大,钵苗移栽合格率逐渐降低,在最大加速度amax为30 m/s2时,钵苗移栽合格率可达95.5%,移栽速率可达2 149株/h,在此加速度下进行健壮苗补苗试验,补苗合格率可达92%,证明了将Delta并联机构用于钵苗移栽机器人的可行性,以及尺度综合和轨迹规划的合理性。     

新型4自由度并联机构的运动学建模与分析

基于并联机器人机构的运动输出理论，考虑结构的对称性和支链的可重组性，构造出一种新型的具有三平移一转动的4自由度并联机器人机构。运用Denavit—Hartenberg表示方法建立机构位移反解模型并进行了数值验算。通过分析反解模型，找出影响机构可达工作空间的因素。引入蒙特卡罗方法思想，提出一种定姿态三维网格搜索方法来得到工作空间，利用Matlab软件编程，以图解形式描绘定姿态下的工作空间容积及工作空间与姿态角的变化态势，并对其进行了分析。     

日光温室番茄采摘机器人设计与试验

针对目前日光温室中番茄采摘主要靠人工且费时费力的问题,设计并制作了一种可以应用于日光温室的番茄采摘机器人.该机器人能够在大棚垄道间巡检并自动识别成熟番茄,完成采摘、收集.本设计以STM32微控制器为主控制器,使用麦克纳姆轮全向移动平台作为机器人的移动底盘,采用由Raspberry Pi 4B控制器驱动的深度相机作为成熟...