为了提高工作效率并节约劳动力,设计了一种可执行装配任务的全方位装配机器人,此机器人能在实际工程中执行一些简单的装配任务。为提高机器人在执行装配作业任务时的装配精度,对其刚度误差进行分析。根据机器人的结构特点并结合旋量理论对并联机构各支链进行建模,推导出机器人的刚度模型。通过仿真分析得出了支链长度以及载荷对系统刚度的理论影响。结合实验测试对刚度矩阵进行修正,得出不同姿态下系统刚度引起的误差。详细分析误差的产生的原因,提出了减小误差的改进方案。

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。

为提高航空导管的加工效率,配合数控弯管机进行直管弯曲加工工作,设计了一种新型三坐标式导管搬运机器人。该机器人在搬运导管的工作过程中,其静刚度与动态特性是影响工作质量与精度的重要因素。针对该三坐标式搬运机器人的特点,利用旋量理论求解出该机器人的雅可比矩阵;利用有限元仿真软件对其进行静刚度分析,找出机器人工作的极限位姿,并对该机器人位姿进行模态仿真分析;结合静刚度映射理论对其进行静刚度辨识试验并求解出其刚度矩阵,进行了模态试验;试验分析结果与仿真结果进行对比,误差均不超过10%,验证了所建立模型的有效性。从而保证了搬运机器人较高的工作质量与连续性。

仿人机器人是机器人领域的重要组成部分,其特性分析涉及机械、电子、材料等学科。由于仿人机器人能够模仿人类行为和动作,能更好地为人类服务,已成为当前的研究热点。大部分仿人机器人搭载大量的智能软硬件,但本体设计仍然存在缺陷,尤其是仿人机器人腰部结构设计,创新性不足,制约着整体的功能发挥。基于此,设计了一种仿人机器人腰部结构,具有一定的创新性。运用旋量理论对其位姿进行计算;通过Adams和Matlab进行仿真拟合;进行了实验验证,证明了结构设计的合理性及可行性,为机器人动力学分析打下基础。

为提高机器人在高速运动过程中的精度和稳定性,研究了4-DOF的Delta高速并联机器人动力学方程的建模方法。采用几何法求解机器人逆运动学方程,结合旋量理论的Kane方法建立了机器人的动力学方程。采用Matlab编程对运动学和动力学模型进行求解,绘制了各个驱动臂的位移、速度、加速度以及力矩曲线。在Simscape中建立Delta机器人的动力学控制系统,以力矩为输入,得到驱动臂位移曲线。对比计算和仿真结果,验证了动力学方程的正确性。

针对7轴协作型库卡机械臂,对其工作空间内机械臂的奇异构型进行求解和仿真分析。首先,建立机械臂的运动学模型,得到其DH参数;然后,基于螺旋理论求解机械臂的雅可比矩阵,利用螺旋互反方法求解机械臂的奇异构型;最后,基于可操作度指标和最小奇异值指标,利用机器人工具箱对机械臂末端参考点的灵巧性进行分析。结果表明,7轴协作型库卡机械臂在其工作空间内存在4种奇异条件。仿真结果进一步验证了分析的正确性,为后续的机械臂奇异性避免算法研究奠定了基础。

以拟人机械臂为研究对象,对其工作空间进行了分析。运用旋量理论建立了拟人机械臂的正运动学模型,基于蒙特卡洛法得到了该机械臂的工作空间点云图;采用按角度划分法与双参数反正切函数相结合的方法对此工作空间的边界点进行了提取,采用最小二乘法曲线拟合了所提取的边界点,求得该机械臂的工作空间。Matlab仿真结果表明,工作空间边界点的提取效果较好,曲线拟合误差较小,为拟人机械臂的后续轨迹规划和运动控制奠定了基础。在此基础上,以搬运物体为例,简要分析了双拟人机械臂的协同工作。

为提高某立式加工中心整机加工精度,借助旋量理论建立完备立式加工中心空间误差模型,在此基础上实现机床空间误差有效补偿。以旋量理论为基础推导并建立机床刀具运动链与工件运动链运动学正解,分析机床21项几何误差原理,在考虑21项几何误差的基础上建立该立式加工中心完备空间误差模型;利用九线法完成各项几何误差辨识;基于旋量运动学正解求解机床运动学逆解后得出运动轴实际运动路径,并通过体对角线实验对比补偿前后的效果。结果表明:所提补偿方法补偿效果显著,验证了机床空间误差模型的准确性,实现了提高机床加工精度的目的。

为更好地提升机器人主操作手性能,减少由于机构重力导致的操作疲劳感并提高位置精度,设计了一款7自由度主操作手:大臂机构为一平行四边形机构,提供前后和左右自由度;小臂机构提供上下自由度;手腕机构提供俯仰和偏航自由度;末端操作器机构提供自转和开合自由度。为提高主操作手位置精度,在主操作手结构设计的基础上,应用旋量理论建立了主操作手的运动学及其误差模型,采用最小二乘法对运动学参数进行了辨识,并进行了标定实验。结果表明,经过运动学参数标定后,主操作手的最大位置误差改善了67.43%。

Exechon机床的并联模块为3自由度2UPR-SPR机构,是一种两转动一移动并联主轴头。将动平台输出轴设置为偏置形式,可提高姿态能力。采用0扭转角的倾摆—扭转角描述动平台姿态,建立机构位置反解数学模型。在此基础上,以局部传递指标(Local Transmission Index,LTI)为运动/力传递性能评价标准,分析机构优质传递姿态工作空间(Good Transmission Orientational Workspace,GTOW)和优质传递姿态能力(Good Transmission Orientational Capability,GTOC)。给出姿态能力分析实例,并绘制机构LTI,GTOW分布图和优质传递空间曲面。对比分析结果表明,偏置输出轴的GTOC优于正置情形,最佳偏置角对应的GTOC可达46°。