针对铁路接触网人工拍照检查劳动强度高、危险系数大、检查时间长、效率低、范围广等问题,提出了一种带有伸缩结构的接触网检查机器人,可代替人工完成接触网拍照检查。确定了机器人整体结构、核心部件选型;运用旋量理论和现代矩阵指数积公式建立了运动学模型;利用Matlab Robotics工具箱建立仿真模型,并验证了运动学方程;运用蒙特卡洛法求解机器人工作空间,并绘制点云图;最后,利用Ansys Workbench软件对关键部件进行有限元分析,对强度、刚度进行了校核验证。所设计的机器人减轻了工人工作量;采用轻型材料及关节模块化设计,质量减轻25%;且其末端的多自由度结构使拍摄角度、范围较传统方式增加了2倍,伸缩结构使机器人可以获得较大工作空间,满足工作要求。

为满足大型航空薄壁曲面工件的加工需求,设计了一种5自由度锤铆机器人。针对该机器人的特点,结合李群李代数及螺旋理论,建立并求解了其运动学模型;利用指数积公式推导出该机器人的雅可比矩阵,并使用刚度映射理论,求解出该机器人的刚度矩阵;运用有限元和Matlab仿真软件,对一般位姿与极限位姿下的末端变形量进行仿真验证,给出了该机器人在任务空间中随位姿变化的刚度分布图。仿真结果表明,与理论计算值相比较误差不超过10%,验证了所建立刚度模型的正确性和有效性,为后续工作路径优化提供了重要参考。

为提高工业机器人在焊接、喷涂等领域的工作效率和稳定性,工业机器人时间最优速度规划问题得到广泛研究,但受制于运动学、动力学模型的准确性及优化问题求解方法的效率,大多数方法很难在保证稳定性及不超速的前提下达到时间最优。文中采用指数积求解机器人运动学,考虑运动学及动力学约束对时间最优问题进行建模,最后基于凸优化问题相关理论进行求解。仿真结果表明,机器人能以相对稳定的速度达到时间最优,该方法可为工业机器人的实际应用提供理论依据。

为实现移动作业液压机械臂的可折叠存放和较大工作空间的作业需求,针对液压机械臂俯仰关节设计了由直线油缸驱动的复合连杆机构,并通过多目标优化设计减小了直线油缸的最大驱动力,同时保证了机构的紧凑性;基于螺旋理论构建了六自由度液压机械臂的正向运动学模型,并推导出解析形式的运动学逆解;在ADAMS软件中建立液压机械臂的虚拟样机模型,并在MATLAB软件中规划了液压机械臂末端的运动轨迹,通过运动学逆解得到关节空间中的轨迹曲线,导入ADAMS软件中作为机械臂各关节的运动驱动,进行机械臂的动力学仿真,得到了关节驱动油缸的输出力曲线,证明了优化后的复合连杆机构可以满足机械臂驱动需求。

针对叶片、汽车轮毂、水龙头等异型工件的抛磨工序长期以来都依赖于工人手工打磨的问题，研发了一款6-DOF机械手，与带有力反馈机构的砂带式抛磨机、上下料滑台、操作台等构成了自动抛光打磨系统。以旋量理论和指数积为基础，建立了6-DOF抛光打磨机器人的运动学模型，并对机器人运动学的正解过程进行分析和计算验证;结合经典的Paden—Kahan子问题法对机器人运动学的逆解过程进行分析和计算验证。计算结果表明：基于旋量理论建立的运动学模型是正确的，该模型可为实际的机器人在抛光打磨过程中的轨迹规划和运动控制提供理论依据。