气动侧摆关节的动态特性

针对目前气动关节存在的缺点,提出了采用气动柔性驱动器(flexible pneumatic actuator,FPA)直接驱动,模拟人手指侧摆运动的侧摆关节。介绍了侧摆关节的工作原理。根据热力学第一定律,结合关节的动力学方程,推导建立了关节的转角及输出力矩的动态模型,并进行了仿真分析研究了关节的动态特性;试验研究了侧摆关节的动态特性,分析了关节转角及输出力矩的实际动态响应较慢原因;采用了串联双闭环控制方法,对关节的转角及输出力矩进行了控制研究,结果表明:期望角度为15°时,关节转角闭环动态响应时间约为0.3s,稳态相对偏差小于0.65%;期望输出力矩为188N?mm时,闭环输出力矩动态响应约为0.3s,稳态相对偏差小于1.5%。侧摆关节可控性高,可满足多指灵巧手关节设计要求。     

基于工作空间的果园作业平台结构参数优化与试验

为提高果园作业平台的适用性和操作灵活性,根据乔砧密植的纺锤形苹果种植模式确定其目标工作空间,以工作空间尺寸偏差、工作空间体积和平均可操作度描述其可达工作空间性能,分析了平台主要结构参数杆长和关节变量（关节角、连杆偏移）对工作空间性能的影响。建立了以可达工作空间性能和结构紧凑为指标的优化模型,利用遗传算法求解得出最优参数为：杆2和杆4的长度分别为988、879mm,关节1、3的关节角范围分别为[107°,256°]、[-118°,-76°],关节5、6的连杆偏移最大值分别为720、340mm。优化后其可达工作空间尺寸偏差分别减小96.09%、95.60%,体积减小4.69%,平均可操作度增加1.43%。对优化后的果园作业平台进行了实地果园工作空间试验,结果表明：承载质量为65kg、横坡坡度为15°、纵坡坡度为15°时,工作空间尺寸偏差最大,分别为16.2、16.7mm,比原型分别减小93.89%、93.76%。     

具有解析式位置正解的2T1R并联机构运动性能分析

求解具有解析式位置正解且部分运动解耦的并联机构,有利于后续的误差分析、动力学分析、运动轨迹规划与控制等。基于方位特征方程(POC)的并联机构设计理论与方法,设计了两种具有解析式位置正解且部分运动解耦的2T1R并联机构,并对这两种机构进行了方位特征、自由度及耦合度等主要拓扑性能分析;提出基于拓扑特征的运动学建模与求解方法,并据此求解了两种机构的解析式位置正解;基于导出的位置反解,分析了两种机构工作空间、奇异位形、动平台的速度与加速度变化规律。最后比较了两种机构的运动性能,选择了优选机型。为优选机型的动力学分析与样机研制提供了理论基础。     

农业机器人并联视觉云台研究

针对智能农用机器人对机器视觉工作范围的需求,提出了一种用于农业机器人的并联视觉云台设计方案。基于双摇杆的输入输出特性,提出了一种运动支链设计方法,用于构建二自由度全球面工作空间解耦并联机构。在此基础上,衍生出两种可行的运动支链P5R和PRR,基于这两种运动支链,设计了2种二自由度全球面工作空间并联视觉云台RRP5R和RRPRR。通过运动学分析,分别建立了2种机构的位置关系表达式;通过尺寸优化,得到了2种机构的最优杆长比;通过对比得出,RRP5R型并联视觉云台具有更好的输入输出性能;通过有限元分析,研究了载荷对RRP5R型并联视觉云台运动精度的影响。结果表明,RRP5R机构强度满足要求,但杆件的累积弹性变形导致运动副的位移偏差较大。     

Tripod并联机器人工作空间完全解析与实验验证

针对Tripod并联机器人工作空间一般用数值搜索方法研究,难以给出边界曲面准确表达的问题,提出一种曲面扫略分析与机械结构形位分析结合的方法来解析Tripod并联机器人的工作空间。以正逆解的算法为基础,得到并联机器人各单开链扫略空间范围及其包络曲面表达式,用三维软件布尔运算得出各支链公共的工作空间,在考虑虎克铰约束和杆件干涉的情况下,再依据机械结构形位分析得到机器人实际工作空间及边界曲面表达式,并对工作空间的奇异性进行了分析。通过三坐标测量仪器测出实际的工作空间与理论分析解析出来的空间进行对比来验证解析方法的正确性,从而为机器人机械结构参数设计和工作空间计算奠定基础。     

一类6自由度Delta型机器人运动学分析

为满足工业机器人多角度操作需求,提出了一类具有3组耦合分支,且对称分布的6自由度Delta型机器人。首先,将每组耦合分支拆分为独立运动单元,并等效为串联运动链,基于旋量理论求出等效后的运动自由度;其次,利用闭环矢量回路法分别计算耦合分支中每条主动链的位置逆解,建立机器人的逆运动学模型;在此基础上,提出一种搜索算法,用于描绘满足边界条件的机器人运动空间,并与相同尺度参数的3自由度Delta机器人进行对比。结果表明,3自由度Delta机器人的运动空间是所提机器人工作空间的子集。最后,根据理论分析,完成了工程样机的搭建与运动实验,实验结果表明,该Deta型机器人具有6个自由度运动能力,且所提运动空间搜索算法具有较高的计算精度。     

零耦合度且部分解耦的3T1R并联机构设计与运动分析

零耦合度(κ=0)且运动解耦的三平移一转动(3T1R)并联操作手机构,不仅其运动学和动力学分析简单且能得到解析解,实时控制也较容易。根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论和冗余支链消除奇异位置原理,设计了一种含冗余支链的3T1R并联操作手机构,对其进行拓扑结构分析,主要包括POC集、自由度、运动解耦性以及耦合度分析,表明其耦合度为零且具有部分运动解耦性;根据提出的基于序单开链法的运动学建模原理,方便地求解出机构的位置正解解析解;基于导出的位置逆解公式,分析了机构的工作空间、转动能力及其奇异性条件;推导出机构动平台的速度、加速度变化规律。     

基于气动柔性驱动器的侧摆关节特性

基于气动柔性驱动器（FPA）提出了一种新型的气动侧摆关节,该关节用于农业机器人多指灵巧手设计。侧摆关节主要由两个FPA组成,向两个FPA内腔中通入不同压力的压缩气体,可以实现左右两个方向的侧摆运动。对单个FPA的自由端进行力平衡分析,建立了侧摆关节静态模型,并对模型进行简化。完成了侧摆关节静态特性试验,试验结果与仿真曲线基本吻合,验证了静态模型的正确性,但存在一定误差（最大静态误差为0.035 rad）,分析了误差原因;对侧摆关节进行了动态特性试验,试验结果表明对于不同的期望值角度阶跃信号,侧摆关节开环阶跃响应时间大约是2 s（稳态值的公差带?=5%）。该侧摆关节可以明显改善农业机器人灵巧手的工作空间,进一步提高农业机器人灵巧手的适应性和灵活性。     

气动柔性灵巧手输出力控制技术

阐述了一种气动柔性驱动器( FPA),及采用FPA驱动的气动柔性灵巧手(ZJUT Hand).以ZJUT Hand为研究对象,基于微分运动学理论,建立其手指的静力学模型,完成了手指静力跟踪的半闭环控制实验,验证了ZJUT Hand手指便于控制输出力的特点;基于指尖五维力传感器,提出了一种模糊自适应指尖力动态跟踪控制策略,完成了手指指尖力动态跟踪实验,结果表明:该控制策略能够在未知环境下,实现对手指指尖力快速、精确的动态跟踪,响应时间约为1 s,跟踪误差稳定在±0.15N内.     

正解符号化且运动解耦的2T1R并联机构拓扑

基于方位特征（POC）方程的并联机构设计理论与方法,设计了一种全部由低副组成、具有位置正解符号化且部分运动解耦的两平移一转动（2T1R）并联机构,并对机构的主要拓扑特征（POC、自由度、耦合度、运动解耦性）进行分析与计算;基于拓扑特征运动学建模原理,导出机构符号式位置正解和反解;同时,由位置反解分析了机构奇异性,基于符号式位置正解求解了机构工作空间;根据基于虚功原理的序单开链法,对该机构动力学性能进行分析,计算得施加在3个驱动副上的驱动力;最后,对该机构应用于无人机操作及其安全着陆的动作原理进行了概念设计阐述。