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。

从内蕴几何角度出发,设计了一款新型单自由度的具有沿着相贯线平移特性的机构。根据方位特征集(POC)理论计算了机构的自由度,并对其进行了运动学分析;建立坐标系求解机构的正、逆位置解并进行了验证;基于机构的原理图,以某一具体尺寸参数建立三维模型,导入Recur-dyn中进行运动学仿真,分析了末端运行轨迹输出特性,验证了机构的可行性。

针对传统结构分析方法效率过低且难以得到完备结果的现状,将机器人机构学理论与现代计算机技术相结合,提出了机器人机构拓扑结构的数字建模方法,并给出方位特征集自动生成算法及流程。首先,提出拓扑结构组成要素的数学描述方法以及相应的数据结构,得到机器人拓扑结构的数字模型。然后,在揭示出方位特征集本质内涵的基础上,利用线性相关性理论制定相应的运算规则,进而提出方位特征集的自动生成算法和流程。最后,结合具体实例验证了上述数字建模方法和方位特征集自动生成算法的有效性。

针对传统并联机构结构复杂、位置分析困难、强耦合、不易控制等问题,设计了一种新型低耦合2T2R并联机构。首先,基于方位特征集理论对该机构进行了运动特性分析;然后,为将运动学方程维数降到最小,运用序单开链理论对该机构进行了合理分解和位置建模;最后,结合具体实例进行了分析验证。结果表明,该机构自由度为4,其动平台可实现两平移和两转动;耦合程度较低,具有运动输入—输出部分解耦性;位置方程简单,可解析求解。

采用一种球坐标变步长迭代快速搜索算法，分析求解了一种3T1R并联机构的可达工作空间，并用天牛须搜索算法对其机构尺寸进行了优化设计。首先，对机构进行位置分析，得到其运动学逆解；然后，采用一种球坐标变步长迭代快速搜索算法求解得到了该3T1R并联机构的可达工作空间，并以工作空间体积大小为衡量指标，定量分析了并联机构各结构参数对工作空间体积的影响；最后，以工作空间体积最大值为目标，利用天牛须搜索算法对并联机构结构参数进行了优化，得到了最优值。该求解算法运算步骤少，求解速度快，为此类并联机构的实际应用提供了理论依据。

基于方位特征集（POC）理论,提出了一种串联机构拓扑结构的自动综合方法,对串联机构拓扑结构进行了数字建模,给出了自动综合步骤并做出人机交互界面。首先,用矩阵对串联机构进行数字化描述,然后,利用穷举法对运动副方位配置关系列举,用算法实现方位特征集自动求解,筛选出满足要求的机构,并设计出GUI人机交互界面。提出的自动综合方法具有普遍性的意义,综合出的机构具有完备性,为计算机对机械系统自动化分析提供方便,使自动化实现具有可操作性。

提出一种基于混沌映射算法的水波法来实现平面并联机构工作空间的快速搜索,以3-RRR平面机器人为例对其可达工作空间、定姿态工作空间、灵活工作空间进行了分析,定义了一个评价转动能力指标来分析机构在可达工作空间内的转动能力,并通过MATLAB实现可视化绘图,直观地描述了转动能力在工作空间内的分布情况。最后通过遗传算法对机构进行尺度优化,有效提高了机构的转动能力。

基于方位特征集理论（Position and Orientation Characteristic,POC）,揭示并联机构拓扑结构分析的理论内涵,建立基于神经网络的并联机构拓扑结构描述方法,提出一种基于神经网络的并联机构拓扑结构自动分析算法。详细说明了并联机构POC集神经网络模型以及模型中对应的6种算法规则,并给出该方法的主要步骤及实例分析。首先,通过对并联机构拓扑结构分析的理论分析,归纳出其本质;其次,基于神经网络理论基础,对并联机构拓扑结构描述数字化表达;此外,通过分析并联机构POC集自动分析的本质内涵,建立并联机构POC集神经网络模型以及提出6种模型算法规则。最后通过实例分析证明了并联机构POC集自动分析算法的正确性和有效性。

对人体下肢运动模型的研究是外骨骼机器人驱动和控制系统的核心内容之一,针对利用分段函数拟合踝关节运动模型时存在拟合过程复杂、模型高阶求导之后不连续等缺点,采用傅里叶级数拟合法建立踝关节在矢状面内平地行走运动模型,通过该方法获得的踝关节运动模型具有简洁、准确、无冲击等特点,而且该运动模型还具有高阶连续性和可导性。最后,通过实验验证该模型可以描述健康人体平地常速行走时踝关节运动特征;同时通过ADAMAS进行运动仿真,验证其用于外骨骼机器人的踝关节驱动的正确性。该运动模型研究为研究健康人体正常行走时踝关节运动特征提供了重要的理论依据,并为外骨骼机器人踝关节的驱动和控制提供了参考模型。