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新型超冗余驱动混联机器人设计分析与性能优化

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机械工程学报 2024年第3期60卷 55-67页

作者：刘晓飞万波王雨李鸣宇赵永生燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室秦皇岛066004

提出了一种新型五自由度超冗余驱动混联加工机器人,并对该机器人的关键结构进行了设计分析与性能优化。基于螺旋理论对该机器人自由度进行了分析,研究了机器人的拓扑构型特征并进行了结构设计,结合局域指标与全域指标分析了机器人运动/... 详细信息

提出了一种新型五自由度超冗余驱动混联加工机器人,并对该机器人的关键结构进行了设计分析与性能优化。基于螺旋理论对该机器人自由度进行了分析,研究了机器人的拓扑构型特征并进行了结构设计,结合局域指标与全域指标分析了机器人运动/力传递性能,基于性能图谱与无量纲化结构参数对机器人传递性能进行了优化,获取了机构的最优结构尺度与最优传递性能分布,研究了最优结构尺度下机器人的全部优质姿态空间,并考虑关节运动限制与机构运动干涉条件,分析了机构的姿态空间。研究成果对于五轴混联机器人的研究与应用,具有重要的借鉴意义。

关键词：超冗余驱动混联机器人设计分析运动传递性能优化工作空间

对称超冗余驱动6RPS并联机构运动性能分析与优化

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机械工程学报 2024年第1期60卷 235-247页

作者：刘晓飞万波陈冉袁徽铭赵永生燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室秦皇岛066004

提出了一种全对称两转一移三自由度超冗余驱动6RPS并联机构,采用螺旋理论对该机构自由度进行了分析,建立了机构运动学反解并进行了仿真验证,结合局域指标与全域指标分析了机构运动/力传递性能,采用性能图谱与无量纲化结构参数对机构传... 详细信息

提出了一种全对称两转一移三自由度超冗余驱动6RPS并联机构,采用螺旋理论对该机构自由度进行了分析,建立了机构运动学反解并进行了仿真验证,结合局域指标与全域指标分析了机构运动/力传递性能,采用性能图谱与无量纲化结构参数对机构传递性能进行了优化,获取了机构6RPS的最优结构尺度与最优传递性能分布,研究了最优结构尺度下机构的全部优质姿态空间,并采用雅可比矩阵与运动/力传递性能分析了机构的运动奇异性。研究成果对于两转一移类并联机构研究与应用,提供了一定的理论基础。

关键词：超冗余驱动并联机构运动传递奇异性分析性能优化

(2-UPU+SPR)+(2-UPU+RPS)非对称混联机构末端约束及自由度分析

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机械工程学报 2024年第17期60卷 272-282页

作者：牟德君陈先岭常雪龙胡波燕山大学机械工程学院秦皇岛066004 燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室秦皇岛066004

以往混联机构的研究未对其少自由度特性进行深度解析,针对其末端约束和自由度形态的认知尚存在不足。研究一种新型(2-UPU+SPR)+(2-UPU+RPS)机构的末端约束和自由度的求解问题,通过建立两个约束螺旋3系交集求解的解析模型求解该混联机构... 详细信息

以往混联机构的研究未对其少自由度特性进行深度解析,针对其末端约束和自由度形态的认知尚存在不足。研究一种新型(2-UPU+SPR)+(2-UPU+RPS)机构的末端约束和自由度的求解问题,通过建立两个约束螺旋3系交集求解的解析模型求解该混联机构的末端约束。对该机构自由度组成原理进行了分析,将其末端约束求解问题转化为子机构末端约束螺旋系的交集求解问题。结合该混联机构子机构末端约束分布特点,对混联机构在不同几何条件下的末端约束和自由度性质进行了探讨。建立了2-UPU+SPR机构和2-UPU+RPS机构末端约束分布曲面和直母线的解析表达式,得到了一般和特殊位形下混联机构末端约束对应的螺旋轴线方程。给出了(2-UPU+SPR)+(2-UPU+RPS)机构的末端约束求解算例,获得了该机构在一般和特殊位形下的末端约束的空间分布情况。研究结果表明,一般位形下,(2-UPU+SPR)+(2-UPU+RPS)机构的末端约束为一个约束力螺旋;特殊位形下,机构的末端平台约束为一个纯约束力或一个约束力偶。该研究对混联机构的末端约束求解提供了借鉴,为混联机构深层次研究奠定一定基础,同时也提供了求解螺旋系交集的新思路。

关键词：混联机构末端约束螺旋系交集直母线

一种无传统防扭力臂的直升机旋翼操纵机构位置解分析

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机械工程学报 2024年第15期60卷 71-79页

作者：胡波高添胡国烽李涛赵金君燕山大学机械工程学院秦皇岛066004 燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室秦皇岛066004

直升机旋翼操纵机构是一种比较复杂的混联机构,此类混联机构的整机精准运动学全解研究尤为重要。提出一种新型的旋翼操纵机构,该机构采用一种2SPS+RPU+PS机构作为并联驱动模块,从而省去了传统机构中的防扭力臂,以该机构为例给出了此类... 详细信息

直升机旋翼操纵机构是一种比较复杂的混联机构,此类混联机构的整机精准运动学全解研究尤为重要。提出一种新型的旋翼操纵机构,该机构采用一种2SPS+RPU+PS机构作为并联驱动模块,从而省去了传统机构中的防扭力臂,以该机构为例给出了此类旋翼操纵机构的位置解全解。首先,分析了旋翼操纵机构约束力/矩,计算了其自由度。其次,通过理清机构中的几何和尺寸约束关系,得到了机构的约束方程。通过约束方程建立起桨距角和旋转倾斜盘位姿参数的耦合关系,结合Sylvester消元法得到了求解旋转倾斜盘位姿的解析模型,进而得到整体机构的运动学反解。再次,采用消元法求解了2SPS+RPU+PS机构的位置正解封闭解,通过上层机构的运动传递关系,得到了三个桨距角的表达式,从而完成了整体机构正解分析。最后,给出机构在一般位形下的位置解算例,实现了旋翼操纵机构的位置正反解精准求解。该研究为旋翼操纵机构的位置解研究提供了参考。

关键词：旋翼操纵机构混联机构运动学正解反解

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狭长空间内重载调姿装配机器人的设计与研究

中国机械工程 2024年第2期35卷 324-336页

作者：刘毅易旺民姚建涛王兴达余鹏赵永生燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室秦皇岛066004 中国空间技术研究院总装与环境工程研究所北京100094

针对舱体类狭长空间内部待安装设备种类多、批量大、载荷重、空间余量微小、装配路径复杂、装配风险高等问题,设计了一种重载调姿装配机器人。在机器人运动学研究的基础上,建立了误差模型,并以最小包围球半径为约束条件,通过遗传算法将... 详细信息

针对舱体类狭长空间内部待安装设备种类多、批量大、载荷重、空间余量微小、装配路径复杂、装配风险高等问题,设计了一种重载调姿装配机器人。在机器人运动学研究的基础上,建立了误差模型,并以最小包围球半径为约束条件,通过遗传算法将误差参数的辨识结果补偿到机器人控制系统。以机柜装配为例,针对空间约束条件规划工作路径,基于动力学约束能耗函数模型,以时间、冲击和能耗为优化目标,得到多目标最优轨迹。样机实验验证了误差参数辨识的有效性,减小了机器人的绝对定位误差,且多目标最优轨迹的关节总冲击小、运动平稳,实现了机柜类设备高效、平稳、可靠的安装。

关键词：装配机器人运动学建模多目标优化误差补偿

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基于平面靶标的交叉结构光标定方法

仪器仪表学报 2024年第4期45卷 185-193页

作者：刘建鑫纪超洋李艳文陈子明燕山大学机械工程学院秦皇岛066004 河北省并联机器人及机电系统实验室及先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室秦皇岛066004

为实现线结构光高精度标定,提出一种基于平面靶标的交叉结构光标定方法。根据Blinn-Phong光照模型可知,当激光条纹投射在平面靶标上特征点边缘处时光截面不再服从高斯分布,常用的中心提取算法无法准确提取目标。首先,基于形态学操作剔... 详细信息

为实现线结构光高精度标定,提出一种基于平面靶标的交叉结构光标定方法。根据Blinn-Phong光照模型可知,当激光条纹投射在平面靶标上特征点边缘处时光截面不再服从高斯分布,常用的中心提取算法无法准确提取目标。首先,基于形态学操作剔除在平面靶标上特征点边缘处的中心点,使得直线拟合的误差由0.060 8 pixel提升到0.035 8 pixel,有效减少因算法提取误差对标定结果造成的影响;然后,基于高斯曲线拟合方法对所提取的线结构光与辅助结构光交点位置进行修正,基于Ransac算法进行直线拟合,结果同样也有效剔除因光照不均、材质变化造成误差较大的点。实验结果表明,两种方法结合后标定精度提高25%,中心点三维坐标与标定板平面方程相差仅4 μm,有效提高线结构光标定精度。

关键词：机器视觉 Steger算法线结构光标定视觉测量

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大型铸锻件打磨机器人设计与分析

工程科学与技术 2024年

作者：刘毅丰宗强毛崇博韩伟达杨长安马启凡河北工业大学机械工程学院燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室

大型铸锻件表面打磨存在结构尺寸大、表面复杂、人工作业强度高等问题，现有的打磨机器人系统虽然可以实现大型铸锻件的打磨作业，但存在占地面积大、灵活性差以及设备成本高的问题；本文针对以上问题，提出了一种融合移动平台、桁架式... 详细信息

大型铸锻件表面打磨存在结构尺寸大、表面复杂、人工作业强度高等问题，现有的打磨机器人系统虽然可以实现大型铸锻件的打磨作业，但存在占地面积大、灵活性差以及设备成本高的问题；本文针对以上问题，提出了一种融合移动平台、桁架式折展结构、串联机械臂、并联自适应打磨头的大型铸锻件表面打磨机器人系统平台，具有打磨范围大、占用空间小，布置灵活等特点，可以有效兼顾各种不同尺寸的大型铸锻件表面打磨需求。基于D-H（Denavit-Hartenberg）法对等效后所得到的8关节串联机构进行正逆运动学分析，采用数值法分析了混联机构整体工作空间，得到单机械臂工作状态下的打磨范围；基于矢量法对末端被动式并联打磨头建立运动学模型，并进一步分析了在串联机械臂保持一定姿态时并联打磨头的工作空间；研究被动式并联打磨头末端负载与驱动关节自适应调节之间的理论联系，优化气压阻尼系统的整体负荷状态；基于机械臂运动学模型获得关节速度及加速度，以机械臂整体功耗为优化目标建立能耗函数，分析得到平面打磨时打磨机器人在不同轨迹下的整体功耗，并通过数字算例与仿真计算验证了优化方程的合理性。基于ADAMS仿真模型对上述分析进行仿真验证，证明了桁架式混联打磨机器人设计与理论分析的合理性，为大型铸锻件打磨机器人设计开发提供了参考。

关键词：大型铸锻件打磨机器人运动学分析自适应控制轨迹优化

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正馈构架可展天线机构卸载方法与实验研究

机械工程学报 2024年第15期60卷 38-48页

作者：刘恩博赵永生李永杰郭笑宇许允斗燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室秦皇岛066004 燕山大学先进锻压成型技术与科学教育部重点实验室秦皇岛066004

针对正馈对称四面体可展天线机构组合单元机构提出一种新型悬吊式微重力卸载方案,建立卸载点位置优化的评价指标及方法,得到优化的卸载点位置。基于天线机构静力学刚度矩阵进行绳索刚度优化,得到中间绳索刚度与周围绳索最优刚度比。对... 详细信息

针对正馈对称四面体可展天线机构组合单元机构提出一种新型悬吊式微重力卸载方案,建立卸载点位置优化的评价指标及方法,得到优化的卸载点位置。基于天线机构静力学刚度矩阵进行绳索刚度优化,得到中间绳索刚度与周围绳索最优刚度比。对重力卸载和重力无卸载两种工况下四面体可展天线展开过程进行仿真分析,对比分析其动态过程的平稳状态和坐标变化曲线,验证优化所得卸载点合理性。设计并搭建了一种悬挂点可动的重力卸载实验平台,对比不同卸载绳刚度情况、有无卸载情况下正馈对称四面体可展天线机构组合单元机构的展开情况,验证仿真分析的正确性与卸载方法的合理性。

关键词：构架天线可展机构卸载刚度优化

(3-RPS)+(2-RCR)混联机构末端约束分析

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中国机械工程 2024年第9期35卷 1548-1558页

作者：胡波赵金君刘建正宗洪意燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室秦皇岛066004 燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室秦皇岛066004

为探索“并+并”型少自由度混联机构末端约束的特点,以(3-RPS)+(2-RCR)机构为研究对象,提出了求解其末端约束的螺旋系求交法。阐述了(3-RPS)+(2-RCR)机构末端约束/自由度组成原理,给出了末端约束/自由度计算公式;结合线几何分析了机构... 详细信息

为探索“并+并”型少自由度混联机构末端约束的特点,以(3-RPS)+(2-RCR)机构为研究对象,提出了求解其末端约束的螺旋系求交法。阐述了(3-RPS)+(2-RCR)机构末端约束/自由度组成原理,给出了末端约束/自由度计算公式;结合线几何分析了机构在不同几何位形下的末端自由度数目;应用解析几何理论和螺旋理论建立子约束螺旋系对应的直纹面和母线方程,得到了螺旋三系和四系的交集解析模型,确定了机构末端约束螺旋;讨论了不同几何位形下的末端约束/自由度性质,给出机构在3种不同位形下末端约束求解的数值算例。研究表明,在一般位形下,该机构末端约束并非约束力/力偶,而是一般形式的力螺旋。提出的螺旋系交集求解方法为此类混联机构末端约束问题研究提供了有效的解决方案。

关键词：末端约束混联机构螺旋系交集线几何直纹面

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