摘要：移动机器人作为智能勘探与侦察的自动化装备,在航天探测、抢险救灾等领域具有广阔的应用前景.轮腿式移动机器人因具有良好的机动性与越障能力而受到青睐.然而现有轮腿式移动机器人机身大多不可变形,导致机器人运动模式较少,地形适应性一般.且机身易与障碍物发生碰撞,无法在具备良好的爬坡能力的同时保证跨越障碍物的效率.针对上述问题,本文提出了一种采用多连杆可变形机构作为机身的轮腿式移动机器人.在设计机器人轮腿及可变形机身的基础上,建立机器人整体运动学模型,据此规划机器人3种运动模式:同步步态、翻滚步态和蜷曲-伸展步态.开展机器人在典型地形(平坦地面、松软地形、上升坡度、下降坡度、障碍物)下的运动性能分析,揭示机器人结构参数与地形特征(爬坡角度、障碍物高度)映射关系.最后基于理论分析结果搭建物理样机并开展实验.实验结果表明,本文所设计的多模式轮腿移动机器人的最大爬坡角度和越障高度分别为44°和28 mm,具有良好的爬坡能力与越障性能.此外,得益于多模式运动特点,机器人在包含平坦地面及松软地形在内的多地形下均具有良好的通过性,验证了机器人方案的可行性.本文为多模式轮腿运动机器人的设计与应用提供有益参考.

摘要：面向筒段类部组件的对接装配需求,提出一种转运小车大范围移动、六自由度并联机器人小范围调姿对接的机器人化装配系统,开展数字孪生装配研究。首先,以旋量为数学工具,进行并联机器人的全关节逆解与运动学标定,获取机器人任意位姿下各个构件的真实相对位姿关系,利用三维模型重建技术构建出与物理空间镜像映射的数字模型。随后,借助双目视觉动态摄影测量仪获取测量点坐标,通过点、线、面等几何特征拟合,建立转运小车、机器人以及筒段的坐标系,完成物理空间的初始特征测量与装配过程的实时反馈,在此基础上,设计数字空间与测量仪、转运小车、机器人控制器的通信,实现“从实到虚”和“以虚控实”。最后,利用数字孪生装配模型开展快速平稳无碰撞的装配轨迹规划,提出停泊点调姿-平移对接的装配工艺流程,并在停泊点处进行装配预测,据此提出对接过程中的实时调整算法。开展筒段特征测量实验,筒段平面、圆柱面、圆心与定位孔的测量精度均较高,满足装配需求;进行筒段位姿实时调整实验,结果表明所提出的算法提高了筒段对接的一次成功率;通过转运、调姿、对接的装配全流程实验,验证了所提出的数字孪生装配技术的有效性。

摘要：运动学分析是并联机构性能分析、建模和优化设计的基础。传统的运动学分析方法中并联机构的拓扑模型与速度模型只能单独构建,无法揭示其内在联系,导致运动学模型的构建不够全面和准确;另外,以现有运动学性能指标作为运动学优化目标时,存在平转耦合机构运动学评价指标的物理意义不明确等问题。为此,以一平动两转动(1T2R)的Exechon并联机器人为研究对象,利用有限和瞬时旋量(finite and instantaneous screw,FIS)理论对其拓扑、运动学建模进行研究。根据FIS理论中的微分映射关系,在统一的数学框架下建立Exechon并联机器人的拓扑模型和速度模型,得到其速度和力雅克比矩阵。在此基础上,以可解析分析机构运动奇异性的虚功率传递率作为运动学性能指标,来有效评价Exechon并联机器人的运动/力传递性能。给定一组Exechon并联机器人模型的尺寸参数,借助MATLAB分析该机器人的局部虚功率传递率分布情况。研究结果为并联机构的性能分析与建模提供了参考,为Exechon并联机器人的优化设计奠定了理论基础。

摘要：移动机器人可以代替人进入火灾、地震现场等高危环境进行地形探索及伤员搜寻等工作,然而大多数机器人难以同时适应障碍、直角墙壁、墙面过渡等多种复杂地形,且其控制系统相对复杂,需要外部能源输入。为此,设计了一款具有多种功能、控制相对简单且无系留的可变形移动机器人。首先,将二杆四索张拉整体结构作为基本单元,设计了可实现弯曲变形的张拉整体结构躯干;其次,基于吸附力及结构参数的分析,设计了负压吸附装置,并将它与可变形躯干结合,形成了机器人整体结构;接着,对机器人进行运动学分析,获得了机器人位姿与电机转角的映射关系,并据此规划了机器人墙面过渡、从墙面穿越狭小空间及翻转上台阶的步态;最后,完成了机器人样机的研制,并针对不同地形开展了机器人运动实验,验证了机器人步态规划的合理性。研究结果为多功能移动机器人的设计与制造提供了一定的参考价值。

摘要：以3-RPS卧式布局并联机构为研究对象,通过添加弹簧元件并优化设计弹簧安装位置及其相关参数,完成了对该类机构的重力补偿策略研究.首先,选用定刚度螺旋拉簧为重力补偿元件,以机构总势能在工作空间中的波动量最小为目标,施以约束条件,完成弹簧安装位置及相关参数的优化设计.其次,利用线性叠加原理构造了机构的静柔度半解析模型,并通过重力补偿前后的效果对比,校验了重力补偿策略的有效性.研究结果表明,添加弹簧元件后,大幅度降低了重力造成的机构末端变形,补偿效果明显.该重力补偿策略简捷有效,可为类似并联机构的重力补偿提供参考与借鉴.

摘要：随着微创技术和生物学固定技术的发展,创伤骨折手术中愈加需要术中精准定位,以确保内固定物能够精确和微创地固定骨折断端.其中,利用六自由度并联机构进行骨折断端的复位和固定是实现微创精准骨折手术的重要手段,也是未来骨折手术的发展趋势.现有的由6条支链构成的六自由度并联机构存在质量大、医学影像设备扫描后伪影严重等系列问题,提出和设计少支链六自由度并联机构成为研究热点.本文借助有限旋量理论构型综合出一类三支链六自由度并联机构,并进行了其拓扑结构和运动学性能设计.首先,利用有限旋量描述六自由度并联机构及其支链末端的运动,通过有限旋量理论的结合定律和交换定律获得可行支链的标准型和衍生型,通过定义支链装配条件和配置驱动关节,综合出一类三支链六自由度并联机构;然后,定义了优选准则,借助瞬时旋量理论对优选出的5种三支链六自由度并联机构进行了位置逆解、工作空间和速度分析;最后,以运动/力传递率在给定工作空间内的均值与方差为目标函数,考虑并联机构的拓扑结构对运动学性能的影响因素,开展了三支链六自由度并联机构的拓扑结构与运动学性能的一体化设计.上述工作为后续三支链六自由度并联机构的物理样机建造与实验研究提供了理论基础.

摘要：研究了一种三自由度并联模块的刚度建模方法.该模块采用冗余驱动技术,可满足搅拌摩擦焊作业高刚度、大工作空间/机座体积比要求.分析了该模块的结构组成与工作原理,并应用螺旋理论建立其刚度解析模型,所获广义雅可比矩阵与驱动/约束刚度矩阵物理含义清晰.借助有限元分析验证刚度解析模型的有效性,进而实现全域刚度性能预估,为该模块的刚度优化设计及物理样机开发提供了理论依据.

摘要：被动装配是实现轴孔高精度配合的重要方法之一,其基本原理为柔性装配机构针对外界装配力与装配反力做出自适应柔顺变形,补偿由于工业机器人定位误差导致的轴孔中心线位移偏差及倾角偏差.作为被动装配方法的核心使能部件,柔性装配机构的性能直接决定装配成功与否,为此,开展了一类基于五自由度混联柔性机构轴孔装配的方案设计和柔性机构构型综合研究.该机构由分别具有2T1R(T表述移动运动,R为转动运动)和3R自由度运动的柔性并联模块串联组成,并采用片弹簧作为实现柔顺变形的基本柔性单元.在整体方案设计的基础上,以旋量作为数学工具,提出一种并联柔性机构构型综合的一般流程,讨论在片弹簧不同变形情况下的支链组成形式,拟定支链装配条件.结合实际工况,本文优选出3-RFS-3-RFS作为轴孔装配的柔性机构,利用有限元软件对得到的机构进行仿真以验证机构自由度及各向柔度,仿真结果表明该机构具备五自由度且各向柔性差异小于0.05%.搭建了轴孔装配实验台,装配实验结果表明对于直径为20 mm与10 mm的轴孔对,装配成功率分别可达90%与70%.

摘要：为揭示折展机构连续与瞬时运动的本质与代数关联,将有限瞬时旋量理论(FIS理论)应用于一类过约束折展机构的分析中,提出包括折展单元及其组网机构的运动学分析方法。首先介绍了FIS理论的基本原理、Myard机构和Myard环形组网机构的组成原理。其次对于Myard机构,通过选定合适的初始位形,以构建有限旋量闭环方程的方式解决了折展单元的关节运动参数映射,基于旋量三角积与螺旋运动的定义提出了基于有限旋量的轨迹求解方法,随后由有限与瞬时旋量的微分映射关系得到Myard机构的速度模型。在此基础上,结合参数化的等效广义副将3-Myard环形组网机构简化为单闭环机构,以求解机构的参数映射关系,随后借助与Myard机构相同的分析流程便得到组网机构的位移与速度模型。提出折展单元及其环形组网机构的关节参数映射、运动轨迹和速度模型的分析方法,丰富了折展机构的运动学分析理论,为解决折展单元及其组网机构的运动学分析问题提供了新选择。

摘要：移动机器人作为智能勘探与侦察的自动化装备,在航天探测、军事侦察、抢险救灾等领域具有广阔的应用前景.兼具良好的机动性及越障性是移动机器人快速适应非结构化复杂环境的首要性能指标,结合轮式行进机构强机动性与腿式行进机构优越障性的变形轮腿式移动机器人受到普遍青睐.然而,现有变形轮腿式移动机器人在设计与优化方面仍存在变形形式过于复杂、设计方法缺乏理论依据等不足.针对上述问题,提出一种结构紧凑、操作简便的新型轮腿变换结构,借助电磁离合器分离运动的原理,通过改变轮-腿变形动力输入促使轮与腿相对运动,以曲柄滑块机构触发轮-腿结构径向扩展,完成由轮式变形为腿式的过程.定义变形过程中曲柄滑块机构的压力角为机动性指标、变形前后结构的展开比为越障性指标,进而开展变形结构的尺度综合,优化结果表明新型变形轮腿式移动机器人的展开比为1.92,可越过高度为150 mm的障碍物.基于优化后的尺度参数,建立变形轮腿式移动机器人越障过程的动力学模型,确定驱动电机参数,设计并制造物理样机.最终开展软件仿真与实验研究,仿真结果与理论分析结果一致,表明优化设计方法与动力学建模方法的有效性,实验结果证明所设计的变形轮腿式机器人具有较强的机动性与越障性.