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。

针对育秧机中铺盘调节机构的型综合问题进行分析,基于方位特征集的并联机构拓扑设计理论与方法,综合出了14种以移动副为驱动的可用于铺盘调节机构的3自由度2T1R并联机构;考虑实际应用需求,从中优选出一种具有较强实用性的机构,并对该机构进行了拓扑特征分析和运动学分析,为后续具体的结构设计奠定了理论基础。

设计了一种膝关节自适应康复器,该康复器由摆动导杆和曲柄滑块机构串联组成。依据人机工程学,通过对人体膝关节运动特点的分析,确定了自适应康复器中大小腿杆长度范围。为实现对人体膝关节伸曲角度的自适应调节,以复数矢量法为基础,建立了机构运动学模型。根据运动学方程,得出了膝关节伸曲角度与机构中可移动机架高度的关系式,确定了机构的尺寸。对自适应康复器与传统的康复器机构(曲柄滑块机构)进行了仿真分析对比。结果表明,串联式康复器和传统的康复器机构曲柄滑块机构运动特性均满足膝关节康复器伸曲角度,但串联式组合膝关节康复器运动平稳性更好。

针对目前脐橙采摘机械化程度低的问题,设计了一种环抱吞咽的采摘执行器。采摘执行器的执行结构主要由多组滑块摇杆机构构成。首先,根据设计的脐橙采摘执行器的工作原理,绘制采摘执行器的结构简图,并进行了运动学和静力学分析;然后,依据采摘时间最短,建立了目标函数的数学模型,利用Matlab软件得到了相关结构的优化尺寸;最后,根据计算得到的尺寸,完成了执行器三维模型的建立,利用Adams软件进行了运动学仿真,验证了脐橙采摘执行器设计的合理性和可行性,为进一步实际采摘实验提供了理论支撑。

以人机工程学原理与方法为依据,分析了人体腰关节的结构及运动特性;结合一种四杆运动限定机构,提出了一种能实现人体腰关节运动且具有运动分岔性的三转动混联机构的保健办公椅;并对其进行操作模式分析。结果表明,机构处于分岔奇异点时动平台瞬时自由度为3,此时采用冗余驱动的方法可将三转动模式转为两转动模式。最后,推导了混联机构在不同操作模式时的位置正解分析方程,结果证明,该机构具有完全解耦性。

基于方位特征集理论(POC),设计并研究了一种1平移2转动(1T2R)六足农业机器人并联腿机构。首先,基于方位特征集方法,综合得到一批满足功能要求的并联腿机构;然后,根据农业实际应用需求,优选得到一种性能优越的机构,该机构具有结构简单、工作空间大、控制方便等优点;最后,对优选的机构进行了位置正逆解分析。分析结果表明,该机构正逆解简单,正逆解均可进行解析求解,且正解方程最多具有4组解。

首先,针对中医推拿手法中的推法、按法、揉法和滚法,分析了每一种推拿手法的特征,得出要实现这4种推拿手法机构所需的自由度;其次,根据机构所需的自由度,提出了机构的总体设计方案,并对并联机构执行器进行了拓扑结构设计与自由度分析;最后,讨论了并联机构的位置正反解,对并联机构进行了三维建模和运动学仿真。结果表明,该并联机构不仅结构简单、位置分析求解容易,而且能够满足上述各种推拿手法的要求,为后续中医推拿机器人的实际应用提供了理论支撑。

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。