舵叶固定式液压球形关节运动学及性能分析

针对球面运动机构驱动方式问题,提出了一种新型的二自由度液压驱动球面运动关节机构,该机构利用超全周转动马达及舵叶摆动马达作为驱动,采用了滑轨支撑框架位置测量系统,可以实现超全周转动;给出了两驱动马达各自的油路设计方案,在机构的不同部位采取了合理的密封方法;由机构的工作原理推导了正逆运动学方程及速度雅可比矩阵,得出了机构的奇异位形;分析了机构的灵巧度性能指标,通过仿真得到了机构性能较优时的工作空间.该球形关节机构具有结构紧凑、运动精度高、负载大、并且能够实现全方位输出的特点.     

中国成功研制灵巧太空手

近日,我国工程技术人员成功地研制出了我国第一个类似人手的机器人灵巧手。它可以代替航天员在恶劣危险的太空环境中进行一些复杂的作业。此前,世界上只有美国宣布已研制成功这种高技术装置。这个机器人灵巧手的尺寸与人手相似,有4个手指,每个手指又有4个关节,共12个自由度。它的核心部分由96个多功能传感器、12个驱动器以及一部外置电     

面向复杂曲面的爬壁机器人机构及运动学分析

针对表面附有轨道的复杂曲面,提出了一种能够沿轨道移动的爬壁机器人机构.由于环境约束的复杂性,提出了功能分离的模块化机构设计思想,将机器人的功能划分为攀爬及姿态调整和沿轨道移动两种功能,并相应地设计了两套运动机构.四足爬行机构实现机器人的攀爬及姿态调整功能;轮轨机构完成沿轨道快速移动功能.对抓持与姿态调整运动进行了详细分析,并以球形曲面为例,得出相关关节控制变量的解析表达式.定性地分析了机构在其它曲面下,相关关节的变化形式.理论分析及设计实例表明机构对布有轨道的复杂曲面具有较好的适应性.     

灵巧手滚动操作的运动规划1)

主要研究灵巧手和物体滚动接触时运动规划.首先，介绍了空间物体曲面的表示，在此基础上建立了两刚体点接触时的运动学方程，并由点接触的运动学方程和滚动接触的约束条件得到了两刚体的滚动接触运动方程；然后，由手掌坐标、手指末端坐标、接触坐标和物体坐标之间的位置关系，推导了关节速度和物体速度之间的关系，建立了灵巧手滚动操作的运动方程，并分析了滚动操作中的物理约束、位置约束、速度约束和方向约束及其表示；最后，根据所建立的方程和约束条件对平面滚动操作进行了仿真.     

面向生物工程的微操作机器人机构型综合研究

首先针对微操作的特点,提出了面向生物工程的微操作机器人机构选用与设计准则.列举了各种可能的3自由度并联机构型式,运用螺旋理论对3自由度平动并联机构型综合的机理作了分析与解释.在此基础上,对3自由度平动并联机构进行了型综合.定性地分析了各类机构作为微动机器人机构所具有的优缺点,从而选择出适合用于生物工程领域微操作的机型.最后给出了机构的CAD模型和实体模型.      

具有变胞功能的自主移动制孔机构

根据飞机自动化装配的应用需求,结合变胞原理提出了一种双偏心变胞源机构.在此基础上设计了一种具有变胞功能的自主移动制孔机构,能实现行走和调姿制孔两种功能阶段之间的变自由度切换.给出了调姿过程由初始状态经俯仰与侧滚后到达期望法矢位置各足驱动量的运动学反解算法,可用于实时控制.运用Matlab绘出了实际工况下反解算法中各足偏移量区域,完成了双偏心变胞源机构的尺寸设计.建立虚拟样机,联合算例进行运动学仿真,结果验证了运动学算法和双偏心变胞源机构适用于本机构.研制了实物样机,测试了系统的调姿精度,结果表明可满足飞机装配自动化制孔的要求.      

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。      

飞机侧壁部件装配调姿机构的设计与分析

分析了等曲率和变曲率2类飞机侧壁部件的几何特点以及对柔性装配调姿的功能需求,设计了一种新型的面向大型飞机侧壁部件数字化装配的柔性工装机构;该机构基于精密三坐标定位器对侧壁部件进行装配调姿,可等效为6自由度并联机构,通过4条支撑臂对侧壁部件进行夹持;定位器呈前后2排、前低后高布局,能够实现对侧壁部件空间6自由度位姿调整;对工装机构进行了位姿反解,根据侧壁部件的初始位姿和目标位姿反向求解出各支撑臂的关节变量,并利用计算机仿真模型进行了验证,证明了反解算法的正确性,为侧壁部件调姿运动的精确控制奠定了基础.      

一种新型可展组合单元的自由度与运动学分析

提出了一种新型多自由度可展机构9RR-12URU,可作为大口径构架式可展天线支撑机构的最小组合单元。该机构包含3个3RR-3URU四面体可展单元,基于螺旋理论分析了单个四面体可展单元的自由度,进而采用拆分杆组法得到了9RR-12URU组合单元机构的自由度。基于节点的空间几何位置和坐标变换矩阵推导了可展组合单元机构在收拢/展开过程中各节点位置和速度的解析表达式,并采用RPY角描述了各节点相对于定节点的姿态变化。基于Adams软件对9RR-12URU组合单元机构的自由度和运动学理论分析进行了仿真验证,结果表明该机构具有收拢和调姿两种自由度,使机构达到最大折叠比。该新型多自由度可展组合单元机构结构简单、折叠比大,可用于曲面构架式可展开反射器中。     

一种用于运动目标捕获的行星轮差动式欠驱动臂

为解决运动目标捕获过程中的碰撞问题,采用欠驱动自适应原理研制了具有碰撞能量吸收能力的机械臂。三自由度的机械臂由2个电机驱动:基关节由单个电机驱动;中关节和末关节由一个单输入双输出行星轮组完成动力分配。在机械臂捕获运动目标过程中,碰撞产生的部分冲击能量通过欠驱动行星轮组传递到末关节,转化为关节动能。依靠欠驱动机械系统完成对碰撞的响应,解决了控制系统因时延而无法快速对碰撞进行响应的难题。为完成对目标的抓取,基于阻抗控制提出了机械臂运动目标捕获控制算法。运动目标捕获实验验证了机械臂对碰撞的快速响应能力及运动目标捕获控制算法的可行性。      

胸鳍摆动推进模式机器鱼深度控制

提出一种基于专家PID和模糊控制的双闭环深度控制方法,用于实现胸鳍摆动推进模式机器鱼的定深控制.通过控制机器鱼的尾舵摆动角度,可以使机器鱼产生一定的俯仰力矩,从而改变机器鱼的俯仰姿态,实现上浮或下潜运动.给出了机器鱼的相关定深实验,并分析了不同目标深度下俯仰角度初始变化范围存在差异的原因.实验结果表明:本文提出的定深控制方法能够使机器鱼比较准确地稳定在目标深度,以及能够改善机器鱼到达目标深度后稳态游动时的俯仰稳定性,能够较好地实现机器鱼的深度控制.      

软体弯曲驱动器设计与建模

与传统的"刚性"机器人相比,基于仿生学启发的软体机器人由于其与生俱来的柔顺性和安全性受到广泛关注。然而,此类软体机器人驱动器的设计与控制目前仍缺少理论指导。针对这些问题,设计了一种由气压驱动的可实现弯曲运动的新型软体驱动器,在系统分析其结构和弯曲原理的基础上,利用几何方法和虚功原理建立了其数学模型,并且通过有限元模型和原理样机实验验证了数学模型的有效性,为软体机器人驱动器的优化设计和控制提供了依据。     

空间机械臂关节电流环预测控制研究

空间机械臂是空间在轨服务的重要执行机构，关节伺服控制性能在很大程度上影响着机械臂操控性能.电流环是关节多控制环嵌套结构的最内层，针对高性能关节伺服控制系统对电流环动态响应快、超调量小和参数鲁棒性强的要求，本文提出一种高阶形式的无差拍电流预测控制方法，仿真结果表明：相比PI调节器，该方法极大提升了系统带宽，可使电流环动态响应速度逼近数字控制系统中的理论上限；相比传统无差拍控制方法，该方法对于电机电阻与磁链参数变化具有更强的适应性，在参数失配的条件下具有更好的动态与稳态性能.     

胸鳍摆动推进机器鱼滚转机动控制

针对胸鳍摆动推进机器鱼滚转机动控制研究的实际需求,提出了一种基于中枢模式发生器(CPG)的模糊控制方法.通过模仿生物原型的胸鳍摆动规律,得到一种可以驱动机器鱼滚转运动的胸鳍摆动方式,并通过定义相关参数将其量化表达.基于胸鳍摆动CPG模型,建立模糊控制器,用于机器鱼的滚转机动控制.进行了机器鱼的滚转运动实验并对实验结果进行了详细分析.实验结果表明,机器鱼能以最快10(°)/s的角速度达到目标滚转角度,而且稳态误差不超过±5°.通过滚转机动控制,并配合航向控制,实现了胸鳍摆动推进的机器鱼以90°滚转角穿越宽度为翼展1/2的狭窄空间的高机动性运动.      

灵巧手滚动操作的运动规划

主要研究灵巧手和物体滚动接触时运动规划,首先,介绍了空间物体曲面的表示,在此基础上建立了两刚体点接触时的运动学方程,并由点接触的运动学方程和滚动接触的约束条件得到了两刚体的滚动接触运动方程,然后,由于掌坐标,手指末端坐标,接触坐标和物体坐标之间的位置关系,推导了关节速度和物体速度之间的关系,建立了灵巧手滚动操作的运动方程,并分析了滚动操作中的物理约束,位置约束,速度的约束和方向约束及其表示,最后,     

基于经验的抓取姿态构造及数据手套校正

针对数据手套校正过程中真实人手姿态获取困难、校正模型简单的问题,提出一种基于真实抓取经验的校正数据库构造方法.该算法根据人手生理结构和手套传感器布局建立具有更高运动逼真度的虚拟手运动学模型,实现更为灵活的拇指运动和软手掌效果;在不需要任何外部硬件设备的情况下,将真实抓取经验与最优化理论结合,寻找针对给定三维物体及操作任务的最优抓取姿态,从而构造真实人手姿态数据库;利用最小二乘拟合和闭环迭代算法获得精确的数据手套传感器输出模型.实验结果表明:所提出的姿态构造方法能有效提高数据手套校正效率,且操作过程简单,易于实现自动化校正,适合实际工程应用.     

Design and fabrication of robotic gripper for grasping in minimizing contact force

This paper presents a new method to improve the kinematics of robot gripper for grasping in unstructured environments, such as space operations. The robot gripper is inspired from the human hand and kept the hand design close to the structure of human fingers to provide successful grasping capabilities. The main goal is to improve kinematic structure of gripper to increase the grasping capability of large objects, decrease the contact forces and makes a successful grasp of various objects in unstructured environments. This research will describe the development of a self-adaptive and reconfigurable robotic hand for space operations through mechanical compliance which is versatile, robust and easy to control. Our model contains two fingers, two-link and three-link, with combining a kinematic model of thumb index. Moreover, some experimental tests are performed to examine the effectiveness of the hand-made in real, unstructured tasks. The results represent that the successful grasp range is improved about 30% and the contact forces is reduced approximately 10% for a wide range of target object size. According to the obtained results, the proposed approach provides an accommodative kinematic model which makes the better grasping capability by fingers geometries for a robot gripper.     

控制力矩陀螺驱动的空间机器人轨迹跟踪控制

提出一种新的空间机器人设计概念,并研究其轨迹跟踪控制问题.系统中的各机械臂以自由球铰连接,在机器人平台和每节机械臂上均安装有一组控制力矩陀螺（CMGs,Control Moment Gyroscopes）作为控制力矩执行机构.采用改进的罗格里得斯参数（MRPs,Modified Rodrigues Parameters）描述平台和各节机械臂的姿态,利用Kane方程建立了系统的动力学模型.在此基础上,用逆动力学方法设计了系统的轨迹跟踪控制律,用以实现卫星平台的位置/姿态和机械臂末端作用器位置的轨迹跟踪控制.采用带有零运动的CMGs操纵律以使CMGs准确输出力矩并回避构型奇异.基于两关节机械臂系统和金字塔构型CMGs的数值仿真结果验证了所设计的控制律和操纵律的有效性,以及自由球铰连接方式在提高末端作用器运动自由度和降低系统动力学耦合方面的优越性.      

全柔性空间机器人基于虚拟力的输出反馈有限维重复学习控制及振动抑制

探讨了基座、关节、臂均存在柔性情况下，空间机器人关节轨迹运动及多重柔性振动的主动控制和主动抑制问题.结合线性弹簧、扭转弹簧、简支梁及假设模态法，利用拉格朗日方程建立了基座、关节、臂全柔性影响下的空间机器人系统动力学模型，利用奇异摄动法，将模型分解为关节运动慢变子系统与关节柔性振动快变子系统.为控制慢变子系统中载体姿态、关节刚性运动并且抑制臂的柔性振动，依据虚拟控制力的概念，设计了基于有限维傅里叶级数解析周期信号的输出反馈重复学习算法.李雅普诺夫直接法证实了上述控制器的稳定性.为了抑制快变子系统中基座和关节的柔性振动，分别采用线性二次最优控制方法以及引入关节柔性补偿器间接增大关节等效刚度的方式，使控制算法不局限于求解弱非线性问题.系统数值仿真结果表明，所提出的控制器能够有效抑制机器人多重柔性构件的振动，实现对期望信号的高品质追踪.