摘要：机器人机构逆运动学分析是开展其性能建模和优化设计的基础.然而,现有并联机构运动学逆解方法主要是针对给定位姿下驱动关节运动变量的求解,而对于非驱动关节运动变量则需基于机构的几何特性,通过反复迭代消元计算获得,因而难以形成代数化求解流程和数字化分析软件.针对上述问题,提出一种基于有限旋量的并联机构全关节位置逆解求解方法并开展其数字化软件研发.首先,提出并联机构全关节位置解求解流程,构造并联机构末端及其支链的初始位姿,利用有限旋量建立运动方程,并通过数值方法对运动方程进行求解.以一类两转动并联机构4RSR-SS为例,计算各支链的全关节位置解,并与仿真结果对比验证解的准确性.然后,在此基础上,建立全关节位置解的数字化算法,基于B/S架构开展并联机构运动学分析软件开发,构建运动学逆解、轨迹仿真和工作空间等功能模块,通过对3-PRS并联机构的全关节逆运动学分析验证软件的有效性.最后,从冗余参数、方程数目等方面与现有方法进行比较.提出的全关节逆运动学分析方法的优点在于:可构建简洁的运动方程并同时求解给定目标位姿下的所有关节变量,避免冗余参数和计算;涉及的所有步骤均可利用代数运算求解,有利于实现并联机器人机构逆运动学分析的数字化.

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：传统的下肢骨折治疗方案普遍存在复位精度差、易造成二次创伤与并发症、延迟愈合等局限性.随着现代医学和机器人学的交叉融合,基于六自由度并联机构的微创骨折复位与固定技术得到广泛关注和应用.现有六支链并联骨折外固定支架普遍存在术前CT扫描易造成伪影、影响骨折复位轨迹规划的不足.针对上述问题,本文设计了一种三支链六自由度并联外固定支架3-SPRP.由于此支架用于人体下肢骨折的复位与固定,为了满足外固定支架的轻质量高刚度需求,本文开展了将支架质量与刚度均视为优化目标的多目标优化设计.首先,采用闭环矢量法建立3-SPRP并联外固定支架的位置逆解模型,基于瞬时旋量建立运动/力映射模型;其次,采用半解析建模法建立3-SPRP并联外固定支架的静刚度模型,对比理论刚度模型与有限元仿真模型在6个典型位姿下的各向线刚度,验证支架刚度模型的准确性;最后,以瞬时变形能为刚度指标,将3-SPRP并联外固定支架的刚度与质量均视为优化目标,开展多目标优化计算,定义最小距离法确定支架刚度与质量的最佳匹配关系.优化后整机质量约为0.889 kg,相较于优化前仅增加24 g,而各向线/角刚度值普遍提升50%左右,表明3-SPRP并联外固定支架的刚度优化设计的有效性.上述工作将为后续三支链六自由度并联骨折外固定支架的物理样机制造与实验研究提供理论基础.

摘要：平衡摇臂悬架主要应用于移动机器人中用以提高其地形适应能力和运动稳定性,差动平衡机构是平衡摇臂悬架的重要组成部分,齿轮式和连杆式是其中应用较为广泛的两类,其中连杆式由于不占用机身内部空间、便于拆卸的特点,独具优势.现有连杆式差动平衡机构多源于空间RSSR机构,存在构型单一、布置不合理、机构运动特征描述模糊的问题.针对上述问题,总结了连杆式差动平衡机构的运动特征,概括了其实现运动功能的基本条件,将机构的构型综合简化为对单侧单自由度单环机构的综合.利用螺旋理论,分析了机构运动螺旋与约束螺旋间满足的几何关系,并根据机构公共约束数量及类型的不同对仅含有R副的机构进行构型综合.面向实际应用场景,从结构复杂度、布置方式对机器人运动的影响程度以及制造和装配难度等方面比较分析,进行构型优选.对典型的RxRxURzRz机构进行运动学建模,分析得到机构的位置正逆解并讨论了机构的奇异位型.以机构的运动/力传递性能为评价指标,利用螺旋理论建立机构的运动学性能评价模型,对机构的尺度参数进行优化设计.建立基于连杆式差动平衡机构的移动机器人虚拟样机模型,利用ADAMS对其在复杂非对称地形的运动进行仿真分析,结果显示移动机器人具有良好的地形适应能力和运动稳定性,验证了机构功能的有效性.

摘要：面向航空航天和仿生设计等领域对大转角两转动并联机构的应用需求,围绕一类新型两自由度转动并联机构--2-RRRR&2-RSR机构的构型分析与运动学优化设计问题展开研究.首先,以投影关系为基础分析2-RRRR&2-RSR并联机构在给定工作空间内实现两自由度转动运动所需满足的几何条件,并针对两种投影情况分析机构的参数特解.其次,基于闭环矢量法求解2-RRRR&2-RSR并联机构的位置逆解,推导机构驱动角度与动平台姿态角之间的映射关系,继而利用RRRR支链与RSR支链的运动特点,获得机构动平台姿态角的正解模型.以此为基础,借助螺旋理论建立2-RRRR&2-RSR并联机构的速度映射模型,构建机构的广义雅可比矩阵,并通过软件仿真验证机构位置正、逆解及速度映射模型的有效性.再次,根据2-RRRR&2-RSR并联机构的运动特性,以奇异性、铰链许用转角范围、连杆安全距离为约束条件,借助极限边界搜索法求解机构动平台中心点的位置工作空间,进而对应位置工作空间等效获得机构的转角工作空间.最后,借助螺旋理论中运动与力的互易积的物理含义定义可描述2-RRRR&2-RSR机构瞬时功率传递特性的无量纲运动学性能评价指标,并结合工程实际需求设定机构的约束条件,实现机构的尺度参数的运动学优化设计.研究成果可为大工作空间两自由度转动并联机构的样机设计与控制策略制定奠定理论基础.

摘要：本文基于离散元数值模拟方法,对碳素挤压机中的颗粒型态行为进行分析。对碳素挤压机不同型嘴采用不同粒径和长宽比的糊料颗粒进行挤压仿真,通过平均颗粒流动速度来表征糊料颗粒的挤压成型效果。计算结果表明,挤压过程中,颗粒的长宽比对其变形和流动有着显著的影响,较大的长宽比可以明显减小径向扰动,提高颗粒形态的轴向取向;一定粒径范围内,颗粒大小对整体效果影响较小,从而验证模型在该粒径范围内模拟结果的稳定性;对比三种型嘴中糊料颗粒的流动特性,遴选出符合设计目标的型嘴,为下一阶段型嘴设计工作提供参考。