基于驱动或结构冗余的并联机器人容错方法

研究了并联机器人利用驱动冗余进行驱动器故障容错及利用结构冗余进行关节故障容错的方法.结合冗余驱动并联机构的力矩分配问题的多解性,分析了部分驱动器故障后在剩余正常工作驱动器之间重新分配驱动力矩以实现容错的方法.结合结构冗余并联机构的特点,分析了放弃部分结构自由度以完成操作任务的方法.从运动学和动力学角度讨论了两类冗余机器人的特点及容错的可能性,以一种平面三自由度并联机构为实例,针对驱动器及关节故障分别分析了故障后机构运动学和动力学性能的变化,验证了采用驱动及结构的冗余进行容错的可行性.     

CT导航混联医疗机器人灵活性研究

总结了目前医疗机器人灵活性的分析方法,基于服务球的数值法,对5R串联机器人和4H并联机器人进行了灵活度计算,得到了各自的任务灵活度.针对9-DOF冗余度串并混联医疗机器人运动学的复杂性以及难以获得逆解的解析解的状况,给出了串联部分、并联部分的位移流形,推导了混联机器人的位移流形.提出了混联机器人的灵活性分析方法,即基于位移流形(黎曼流形)的方法,并定义了混联机器人灵活度的通用解析表达式.基于黎曼曲面外接椭球面的面积计算,得到混联机器人的灵活度超过了CT导航手术所需的灵活度,满足手术要求,为微创外科混联机器人灵活性分析和度量提供了新的参考.      

基于螺旋理论模块化机器人运动学分析与仿真

基于螺旋理论对模块化机器人的速度级和位移增量级运动学关系进行了分析,开发了模块化冗余度机器人的逆运动学控制算法.针对模块化机器人可能具有任意自由度和任意构型、可以经常快速安装和拆卸、易于可重构且由系列化、标准化部件组合的特性,开发了具有自动建模功能的模块化机器人仿真系统.该仿真系统由模块构造器、机器人建造器、图形示教和运动规划仿真器等分系统组成.通过一个7-DOF模块化串联机器人抓放工件的演示实例验证了所提算法和仿真系统的实用性.     

控制力矩陀螺驱动空间机器人的角动量平衡控制

针对V构型控制力矩陀螺(CMGs)驱动的冗余空间机器人的CMGs角动量饱和问题,提出一种角动量平衡控制方法。该方法从平衡使用机械臂各臂杆CMGs角动量的思想出发,定义了角动量平衡指标,并使用加速度分解技术和逆动力学方法设计了角动量平衡控制器。该控制器可在保证机械臂跟踪工作空间轨迹的同时,利用机械臂的空转运动使得角动量平衡指标尽量减小,即各臂CMGs的角动量使用趋于平均,从而降低某些臂杆的CMGs先行饱和的可能性,充分利用CMGs的控制能力。基于平面三自由度冗余机械臂的数值仿真结果验证了所设计的控制器的有效性。     

空间冗余度机器人混沌自运动研究

建立了空间自由飘浮冗余度机器人的模型和运动学方程,分析了其Jacobian矩阵,得出相应的运动学逆解,通过仿真验证了空间自由飘浮冗余度机器人自运动中存在混沌运动,利用混沌分析的直接观察法、时间历程法、相图法和poincare映射法,对一个空间3R刚性冗余度机器人,采用PD控制器控制其末端执行器重复跟踪工作空间内一平面路径时连杆的自运动进行了研究.结果表明,该机器人的自运动存在混沌运动.     

一种新型医疗机器人运动学及灵活性分析

从临床应用的角度出发,分析了微创神经外科机器人的结构特点.建立了机器人空间运动学模型,确定了该机器人逆解具有解析解,通过仿真验证了逆解的正确性.分析了机器人手腕的灵活性,用姿态球的概念定义了五自由度机器人手腕灵活性,给出了手术矢量工具姿态球的边界表达式,提出了手腕灵活性的分析方法,给出了机器人的灵活区域分布.掌握运动学和灵活性分析方法,可以为结构设计提供可靠的依据,为后续机器人控制功能的实现奠定基础.     

基于PCI总线的主从式多轴控制器开发

针对运动控制的高精度要求,介绍了一种基于PCI(Peripheral Component Interconnect)总线的实时多轴控制系统.为了在执行复杂任务时,减少主机的工作量以及充分利用数字信号处理器(DSP,Digital Signal Processor)的数字处理能力,多轴控制器采用了主从控制结构.这种控制器还可以根据用户的需要使用串行通讯控制来代替PCI总线控制.控制器硬件的研发主要集中在多轴控制器、PCI总线接口电路和PCI局部总线的控制逻辑电路上,这些是设计控制器的关键技术.通过一个三自由度机器人沿一个空间螺旋轨迹运动的实例验证,所研发的多轴控制器可以实现具有准实时性能的高精度协调运动控制.      

大型不规则曲面加工机器人系统控制设计

对在不规则曲面上进行规则图形的加工,基于三自由度直角坐标机器人及二自由度变位机的加工系统,构造了控制软件系统.该系统实现了工程数据库的管理,加工序列的规划,切削路径的生成,自动离线编程与仿真,实时监测与异常处理,工况预测与误差补偿等功能.试验证明,该控制软件能准确、有效、实时地控制加工过程.      

基于能量的高超声速飞行器再入混合制导方法

针对大升阻比高超声速飞行器滑翔再入制导问题,提出一种基于能量的混合制导方法.建立以能量为自变量的三自由度运动学方程,利用拟平衡滑翔特性将过程约束转换成倾侧角约束.纵向制导在初始下降段采用固定数值倾侧角飞行,在拟平衡滑翔段基于剩余航程随能量单调变化的特性将标准轨迹进行分段,然后分段进行在线预测校正制导.侧向制导基于横程与能量的近似线性关系,设计了由分段漏斗形横程走廊控制的倾侧角反转逻辑,以保证侧向制导精度.分析研究和仿真结果表明该方法易于实现,有效减小了制导指令的解算时间,制导和落点精度高,且对再入初始偏差及过程扰动不敏感.      

用于可重构地面移动机器人的主动球铰

针对目前可重构移动机器人的姿态调整结构在工作空间和输出力矩等方面的不足,提出了一种三自由度主动球铰,它综合了并联机构和串联机构的优点,在满足可重构地面移动机器人结构尺寸要求的前提下能提供较大的输出力矩和较大的工作空间(并联结构部分可提供17.3N·m的力矩及±40°的俯仰/偏航角度,串联结构部分可提供4.5N·m的翻转力矩和360°的翻转角度).该结构可以丰富机器人的结构形式,增强机器人对环境的适应能力.首先讨论了这种球铰的运动学特性、工作空间,然后在可重构移动机器人——JL-I上测试了驱动力矩,验证了结构的性能.      

一种腿臂融合四足机器人设计与分析

设计了一种腿臂融合的四足机器人,其具有腿臂功能复用的分支,不仅可以实现行走,还可以进行操作。对该机器人的行走模式和操作模式进行了研究,首先,建立了机器人单腿运动学模型,推导出机身整体的逆运动学;其次,对腿臂功能复用分支的5自由度操作臂模型进行了运动学分析,提出了欠自由度操作臂保证末端位置和末端姿态2种情况下的逆运动学最优求解方法,并分别给出了位置或姿态偏差;然后,建立了支撑面、支撑腿、本体、操作臂所组成的串并混联机构的运动学模型,利用本体位移补偿操作臂末端位置偏差,从而实现操作臂末端精确操作;最后,对机器人本体、操作臂以及串并混联机构的工作空间进行了仿真,并利用实验验证了该机器人腿行走和臂操作的功能。     

四自由度对称并联机器人结构综合方法

利用螺旋理论,分析了少自由度并联机构中支链运动螺旋系与动平台约束螺旋系的关系,列举了五阶运动螺旋系的支链类型,在此基础上提出了一种四自由度对称并联机器人结构综合的方法,并利用该方法针对动平台3转动1移动的运动特征要求,进行了结构综合,得到多种具有对称结构的四自由度并联机器人机构类型.结果表明:少自由度并联机构的运动与约束通过螺旋数学模型来表达简单直观,便于机构的型综合;同时该方法针对给定动平台的运动特征,可以方便快捷地进行对称结构的型综合,有利于少自由度并联机器人机构的结构创新,为少自由度并联机构的优化设计奠定了基础.     

新型大转角2T2R并联机构的设计与分析

针对大尺寸细长结构部件的加工需求，提出了一种新型五自由度混联机器人，并对机器人中新型大转角2T2R并联机构模块进行了研究分析。首先，应用螺旋理论计算出了2-UPS&（2-RPR）R并联机构的自由度，并应用修正的G-K公式进行了验证；其次，应用封闭矢量方程对机构进行了运动学分析，建立了运动学正反解模型，并计算出了雅可比矩阵；然后，利用机构的约束条件，绘制了机构的工作空间；然后，应用线速度各向同性指标和角速度各向同性指标对机构的灵巧性进行了分析；最后，通过给定轨迹进行运动学仿真。通过分析，验证了该机构的可行性和实用价值，为新型五自由度混联机器人的应用奠定了基础。      

具有初始动量的空间机械臂零反作用轨迹跟踪

对具有初始动量的自由漂浮空间机械臂系统进行了研究,考虑其执行在轨任务时便已经具有的动量,根据系统的构型参数建立运动学模型,再采用拉格朗日第二类方程建立动力学模型。利用空间机械臂系统具有冗余自由度这一特性,推导运动学和动力学方程,得到了零反作用运动方程,消除了基座和机械臂之间的角速度耦合作用。末端运动轨迹用多项式插值函数来逼近,根据给定的机械臂末端初始和终止状态来规划其运动轨迹,并将机械臂末端的工作空间转换到关节空间中。根据已知的动力学模型,设计合适的比例-微分（PD）控制率。仿真结果表明,通过选择合适的增益反馈矩阵,机械臂末端能平稳地跟踪目标轨迹,同时,机械臂的运动不会对基座的姿态产生扰动,保证了基座姿态的稳定性及航天器的正常运行。     

柔性基座冗余机械臂的最优反作用控制

针对柔性基座冗余机械臂的末端轨迹跟踪问题，提出一种反作用最优控制方法，该算法将轨迹跟踪视为高优先级任务，而反作用优化控制在高优先级任务零空间内进行。由于冗余机械臂的自运动能在不影响末端运动的前提下改变关节运动，利用冗余机械臂的自运动消除振动系统中的低阶模态力，使机械臂在完成轨迹跟踪的同时激起的弹性振动大幅减小，从而提高了系统的稳定性。以平面3自由度柔性基座机械臂和空间7自由度柔性基座机械臂为例进行数值仿真，证实了方法的有效性。     

平面3自由度柔顺微动机器人加工误差分析

在微/纳米级定位领域,误差分析是提高微动机器人运动精度的重要方法.其中,对加工误差的分析尤其关键.为此,对平面3自由度(DOF,Degree of Freedom)柔性并联微动机器人的加工误差进行了研究.通过对机器人静刚度求解,建立了加工误差与其末端执行器定位精度的关系模型.通过理论计算途径及有限元方法(FEM)讨论了各结构参数加工误差对末端精度的影响程度,结果表明柔性铰链圆弧切口半径误差以及铰链圆弧切口中心线角度偏差对机器人末端精度的影响最大.研究所得结论可用于指导此类机构设计,确定加工过程中各机构参数的公差要求,并有助于提高标定精度.     

基于多层感知器神经元的空间柔性机器人位置跟踪控制

针对基体位置及姿态均不受控的自由漂浮柔性空间机器人轨迹跟踪问题,提出了一种前馈多层感知器(MLP)神经网络控制策略.建立了末端柔性的自由漂浮基机器人的耦合动力学模型,再利用MLP神经网络良好的逼近能力来自适应补偿非线性柔性臂的逆动力学模型,其误差代价函数由PID控制器提供,权重及阀值的调整采用改进的BP反传算法.最后通过仿真比较详细分析了所提方案的工作机理及对非线性强耦合系统控制的有效性.