针对混联机构兼具串并联机构优点的特点,提出一种新型3-UU/UPU+2P双层混联机构。首先,详细叙述了该机构的结构特性,并构建动、静坐标系;其次,基于螺旋理论对机构的自由度进行分析,并利用修正的G-K公式对自由度进行验证,得出该机构具有3个自由度且属于非瞬时机构的结论;然后,根据机构的运动特性,建立机构的运动学正解和逆解模型,并采用基于符号运算的微分变换法对机构的速度及加速度正解进行分析,通过具体的数值算例得出运动学模型的变化曲线,将理论计算结果与Adams仿真结果进行对比分析,验证了所构建运动学模型的正确性;最后,基于蒙特卡洛方法对该机构的工作空间进行分析,为机构的构型设计以及实际应用提供理论依据。研究结果表明,该机构具有较大的连续工作空间,且呈现一定的对称性。

根据方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论和方法,设计了一种结构简单且对称的三平移的并联机构,通过方位特征方程分别计算了机构的方位特征集、自由度、耦合度等拓扑特性,验证机构能实现三平移的运动特性;建立机构运动学方程,推导得到机构的正逆解的解析式,以及机构的奇异性、工作空间、灵巧度等运动性能指标。最后,建立多目标优化设计模型,采用带有精英保留策略的快速非支配多目标优化算法(NSGA-Ⅱ)进行结构参数的尺度综合,优化得到一组Pareto最优解(Pareto optimal solutions)。结果表明,不能同时最大化工作空间体积和全局灵巧度,可以根据实际的需求选择Pareto最优解,以满足两个目标的需求。

设计了一种可以实现两移一转的新型3自由度并联机构3-UPS/RPP。该结构在传统的3-UPS结构基础上加入了一条RPP结构的约束支链,应用螺旋理论分析约束链得知,该3-UPS/RPP并联机构可实现平面内的一维转动和二维移动。在自由度分析的基础上,构建了3-UPS/RPP并联机构的运动学模型,通过对驱动支链和约束支链的分解分析,给出了3-UPS/RPP并联机构位置逆解的解析表达;随后,基于位置逆解结果,确定了工作空间的搜索流程,并据此在Matlab软件中求解了该机构的工作空间;最后,对该3-UPS/RPP并联机构进行了运动学控制仿真。结果表明,系统具有较高的动态轨迹跟踪控制精度,适用于实际应用。

以拟人机械臂为研究对象,对其工作空间进行了分析。运用旋量理论建立了拟人机械臂的正运动学模型,基于蒙特卡洛法得到了该机械臂的工作空间点云图;采用按角度划分法与双参数反正切函数相结合的方法对此工作空间的边界点进行了提取,采用最小二乘法曲线拟合了所提取的边界点,求得该机械臂的工作空间。Matlab仿真结果表明,工作空间边界点的提取效果较好,曲线拟合误差较小,为拟人机械臂的后续轨迹规划和运动控制奠定了基础。在此基础上,以搬运物体为例,简要分析了双拟人机械臂的协同工作。

针对传统D-H法以及旋量法进行机器人运动学分析过程中存在运算效率低、奇异性的问题,采用倍四元数求解了缝纫机器人的运动学参数。建立倍四元数形式的缝纫机器人的运动学方程,应用消元法构造Dixon结式,实现运动学参数求解。在受限工作范围内进行运动学分析仿真,结果表明,该方法运算效率高,较D-H法在速度上提高了10%左右,可为机器人纺织缝纫过程中的运动控制提供理论依据。

根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论和方法,设计了一种可实现两平移一转动(2T1R)输出运动的半对称并联机构,并对该机构的方位特征集、自由度、耦合度3个主要拓扑特征进行了分析计算,表明该机构的耦合度为1。然后,基于序单开链(Single Open Chain,SOC)的运动学建模原理,求解了机构的位置正解,导出位置机构反解解析式;进一步根据导出的位置反解公式分析了该机构的工作空间及其转动能力,研究了机构发生奇异的条件;并对机构的速度及其加速度进行了仿真分析。最后,对机构应用于脚踝按摩仪的原理进行了分析。

根据变胞理论,提出一种新型可变转动副轴线的2-PrRS-PR(P)S并联变胞机构,通过机构两个分支转动副轴线角度的改变实现机构变胞。首先,分析得出机构两个工作构态的运动学反解;其次,分析机构各参数对不同构态工作空间的限制,采用三维扫描法求解机构两个工作构态的工作空间;最后,研究机构各参数变化对机构不同构态工作空间体积大小的影响,以工作空间体积最大化为目标,利用遗传算法和单一变量法优化机构的结构参数。

液压支架作为基于二自由度四连杆机构的支护设备,每个结构部件的旋转角度受驱动部件的制约,直接影响顶梁的支护效率和运动轨迹。基于Denavit-Hartenberg(D-H)理论实现了支架各部件在不同坐标系下的位姿转换,建立了液压支架的运动学模型;利用MATLAB软件分析了液压支架的工作空间,融合Alpha Shape理论对支架顶梁运动轨迹进行分析,得到了顶梁工作空间的边界点;分析了立柱、平衡千斤顶的不同长度对顶梁、掩护梁以及后连杆位姿角的影响;通过自主开发的无线感知网络搭建了液压支架的位姿监测系统,并验证了模型的可靠性,为工业应用提供了理论和实践指导。

深水作业机械臂通常采用串联式结构,机械臂每个关节的转动角度与长度会受到相应的限制,这些参数会直接影响到机械臂的运动轨迹规划和作业效率。机械臂的有效工作空间的求解是一个多目标多约束的优化问题。通过数学分析建立机械臂的运动学模型,分析影响有效工作空间的相关参数,利用图解法来分析机械臂工作空间的边界曲线,得到机械臂的有效工作空间的截面。针对机械臂有效工作空间的截面积建立数学解析模型,最后运用遗传算法求得满足约束条件下的机械臂有效工作空间最优解和能够实现高效作业的最优结构参数。仿真结果表明,该模型能够有效求解角度与运动约束下的串联式机械臂结构优化问题。

针对综合管廊的安全运维与管理的需求,设计一种集巡检和消防灭火功能于一体的管廊消防巡检机器人。该机器人由机器人本体、灭火器、机械臂和智能检测系统构成。介绍了机器人的总体结构及功能,建立了机械臂的D-H坐标系,对机械臂进行正、逆运动学分析。运用蒙特卡洛法及MATLAB软件对机器人机械臂的工作空间进行仿真与分析,得到不同情况下的机械臂末端的工作空间,仿真结果验证了机械臂可灵活满足机器人的工作要求,为后续管廊消防巡检机器人的控制工作和优化设计奠定了基础。