提出了一种用于车载轮椅自动收放的5自由度机械臂。首先,根据D-H方法建立机械臂数学模型,并进行正向及逆向运动学分析,在进行逆向运动学分析时,分别用解析法和反向传播(Back Propagation,BP)神经网络进行了求解;其次,采用五次多项式插值法对机械臂进行关节空间轨迹规划,实现机械臂的平滑无冲击运动;随后,基于蒙特卡罗法分析机械臂工作空间,得到机械臂末端的工作空间点云图;最后,针对具体车载应用场景,开展了虚拟仿真实验。仿真实验结果表明,机械臂构型设计合理,运动灵活,满足应用需求。为样机开发及应用提供了理论依据。

提出了一种用于并联机床领域的4-CPS/UPU并联机构。基于旋量理论,建立了该并联机构的运动和约束螺旋系,该机构具有5个自由度,可实现三移两转功能;通过修正的K-G公式对其自由度进行了验证;进一步分析了并联机构的位置正逆解、工作空间;运用Adams软件对其进行了仿真分析。该机构工作空间连续,形状近似四棱台,规则对称,无空洞,且仿真得到的位移和速度曲线光滑,表明该机构具有良好的运动性能。研究结果为其在并联机床领域的参数化设计提供了一定的理论基础。

基于方位特征集(POC集)的并联机构拓扑设计理论与方法,设计了一种新型3自由度(DOF)的具有圆柱面平移和一转动(2T1R)的并联机构,并且对该机构进行了拓扑特性分析。主要包括方位特征集、自由度和耦合度计算;对机构进行运动学分析,求解机构位置的正逆解,并对该机构进行了数值验证;基于机构位置的正逆解方程,分析了机构的工作空间及转动能力。为该机构后续的尺度优化、误差分析及动力学分析奠定了基础。

基于方位特征集并联机构拓扑设计理论及弯曲平移理论,设计了一种新型3自由度低耦合度的具有圆球面平移和一转动(2T1R)的并联机构。对该机构进行了拓扑特性分析,主要包括方位特征集、自由度以及耦合度计算;对机构进行了运动学分析,求解机构位置的正逆解,并对该机构进行了数值验证;基于机构的位置正逆解方程,分析了机构的工作空间以及转动能力分布。本文的工作为该机构后续的尺度优化、误差分析以及动力学分析奠定了基础。

机械臂的轨迹规划和控制的前提,是进行机械臂的正运动学分析。目前,主要的分析方法为D-H参数法。提出了一种比D-H法更快捷、更简单、利于计算的旋量理论方法。通过指数积公式对双臂作业系统进行运动学建模并建立正运动学方程。运用Simpack软件对双臂作业系统进行仿真分析,通过仿真的结果和正运动学方程所求解的结果对比,验证了通过旋量理论建立的正运动学模型的正确性。利用Matlab软件进行工作空间的分析,通过工作空间云图的对比,得到双臂作业系统的工作空间。

基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论与方法,设计了一种可用于抓取的新型三平移(3T)并联机构。首先,阐述了整个机构的设计过程并对机构的基本拓扑特征进行了分析计算,证明该机构包含两个耦合度κ为0的子运动链(SKC);接着,根据基于拓扑特征的并联机构运动学建模原理,以SKC为序,分别对机构的位置正、反解及其构型进行了求解与分析;然后,根据基于SKC的奇异性分析方法,计算分析了该机构每个SKC内部发生第一和第二类奇异时对应的奇异位形;最后,分析并选取出该机构内部速度传递因数指标较优的任务工作空间。研究为该机构后续的刚度、动力学分析及工程样机设计奠定了基础。

酒盒包装生产线中的一工位因车间布局原因导致两生产线产生高度差,而该高度差易导致该工位酒盒底座的次品率增加。针对次品率高的问题,综合提出了一种1R2T的并联机构;基于螺旋理论及螺旋互易原理,综合出多种可满足工位需求的并联机构,并根据现场工况,选出2RPSRPR并联机构,该机构具有3个自由度,可实现1R2T功能;对该并联机构进行了逆解分析及工作空间描述,并根据生产线布局绘制该并联机构的三维模型,分析了机构运动的合理性。研究证实,利用旋量理论构型设计和实际工况相结合的方式是一种非常有效的理论分析方法。

针对颈椎病患者的颈部牵引康复训练,提出了一种混联式(2-PUR/UPS)&R颈椎康复机器。该机器具有3R1T共4个自由度,符合人体颈椎的活动度要求;通过对该机器的运动学性能分析,验证其是否可以应用在人体颈椎康复领域。首先,利用螺旋理论和修正的Kutzbach-Grvble公式对机构的自由度进行求解和验证;其次,通过求解机构的位置反解,得到机构的杆长,编写求解工作空间的程序,利用数值搜索法得到机构的工作空间;最后,通过Adams软件对该机构进行了仿真分析。结果显示,该机构能够达到颈椎活动所需的范围,其中,前倾后仰为-55°~35°,左旋右旋为-52°~52°,左右侧屈为-45°~45°,能够为颈椎病患者提供牵引治疗。

提出一种以3-SPS/UPR并联机构为主体的工作台,用以辅助少自由度机床对工件进行曲面加工。建立3-SPS/UPR并联机构的运动螺旋矩阵,通过螺旋理论对其进行自由度分析,采用修正的Kutzbach-Grübler公式进行验证;通过机构中的几何关系,采用封闭矢量法求解该机构的位置逆解,并求出该机构的速度Jacobian矩阵;通过三维动态搜索法求解该机构的工作空间;通过Adams软件对该并联工作台进行了运动学仿真。该3-SPS/UPR并联机构能够进行两平移两转动的运动,可提高机床加工效率和加工质量,增大机床加工范围,提高机床的曲面加工的能力。

针对焦炉炉顶环境恶劣,人工测温精度低,设计了一种用于焦炉测温的仿蝎机器人,该机器人由行走机构和执行机构两部分组成。对测温机器人整体结构建模,对机械臂进行运动学方程求解和仿真分析,并对其运动轨迹进行了规划;对炉盖提放机构进行工作空间分析,求得末端机械手可达的空间范围;制作机器人物理样机,对机器人测温机械臂进行了定位验证,误差在2 mm范围内;对提放盖机构进行工作空间验证,可达到蒙特卡洛法求得的工作空间,为后续实际测温奠定了基础。