针对医用手术器械臂操作范围受限的问题,提出了一种基于4RRRR⊥对称正交并联连杆机械臂冗余驱动的3自由度手术器械臂平台。采用矢量封闭环方法推导出平台运动学方程,并根据各杆位置约束,使用数值搜索的方法分析计算了该平台的工作空间。在此基础上,运用Matlab完成了该平台的运动学正逆解数值仿真,通过正解验证逆解算例表明,误差精度可达10-8数量级;同时,运用Adams进一步对平台运动学逆解进行仿真,验证了其正确性。在实体样机上进行了实验验证,实验数据表明,基于平台运动学方程控制的平台位置误差为±1 mm、姿态误差为±1°。仿真和实验表明,基于该并联机械臂驱动的机构作为手术器械臂位置调整平台,可有效拓展手术器械臂操作空间的动态调整范围;运动学方程也为该类冗余并联机构后续的动态控制方法研究提供了重要的参考依据。

针对川芎挖掘收获时川芎-土壤混合物易堵塞、碎土分离困难等问题,设计了双摇杆抛摔碎土振动机构,并进行了机构运动学特性研究。通过解析法对振动碎土机构进行运动学分析和建模,获得了碎土振动机构的运动特性,利用Adams进行碎土机构运动学仿真,得到了机构质心位移、速度、加速度,验证了振动碎土机构的运动规律和碎土能力。结果表明,双摇杆抛摔碎土机构的曲柄在转角为22.4°时,混合物被向后抛离且水平运动67.1 mm,大于收获机前进距离39.7 mm,实现向后输送混合物并碎土分离,避免了壅土现象发生。该研究为川芎收获机振动碎土机构设计提供了理论支持。

针对常规游梁式抽油机不易实现低冲次的运动特性,分析了一种齿轮导杆式抽油机用换向机构。该换向机构主要由长杆不完整齿轮、齿条移动框、滚筒等构成。介绍了齿轮导杆式抽油机换向机构及其原理,建立了换向机构的力学模型;根据接触冲击算法,利用SolidWorks和Adams对换向机构进行了联合动力学仿真。结果表明,该换向机构在上冲程速度平缓,在下冲程存在加速度突增;对比该抽油机在3种不同冲次下的加速度仿真曲线,该抽油机满足低产井的生产要求;对比常规式和齿轮导杆式抽油机的加速度理论曲线,该抽油机上冲程的悬点加速度均小于常规抽油机,运动特性更优,更适用于低产井的采油作业;冲次变化对部件接触力影响较大。研究为后续换向机构强度计算提供了数据支撑。

为了解决在球管接头处焊接作业的机器人焊接路径的规划难点,以UR5焊接机器人做参考,对球管相贯空间曲线建模并推导出该曲线的参数方程,建立D-H坐标系,分别对其正向和逆向求解,采用Matlab和Adams联合仿真,获得了末端执行器轨迹规划路径及各关节的角速度、角加速度时间变化曲线。结果表明,UR5焊接机器人模型正确、合理,具有良好的运动学性能,并且在焊接过程中姿态没有发生突变;同时,也验证了相贯焊接焊缝的轨迹规划操作空间的合理性和可靠性,为在复杂工作环境中进行焊接作业提供了一种验证手段。该验证方法为后续进一步研究样机控制提供了理论支撑。

针对串联机器人应用于恒力磨削加工行业存在刚度小、累计误差大、高速重载受限等问题,提出了一种由4组相同的UPS驱动支链和1个PPS约束支链构成的5自由度并联机器人(4-UPS/PPS),实现了机器人的两维平面移动和三维空间转动。通过D-H参数法分析了机器人X方向约束自由度,根据机器人运动学逆解方程确定动平台位姿与驱动分支间映射关系;建立了机器人工作空间约束方程及目标函数方程,解析刀具末端空间位姿,绘制空间散点图和三维图;利用Adams仿真软件,对比数值解与仿真解分析曲线可知,机器人驱动分支整体运行平稳且理论分析正确。为并联机器人实际运用于恒力磨削加工领域提供了理论与技术基础。

为满足行动不便的老年人和残障患者的护理需求,设计了可辅助站立、辅助躺卧的坐立卧式护理轮椅。阐述了轮椅机构的设计方案和工作原理,并基于人机工程学原理,采用三维步态分析及运动系统分析了正常人体起立、躺卧过程中各关节的运动轨迹规律。建立轮椅机构间几何关系,并对机构进行了运动学分析;结合人体测量学数据,确定各构件参数并建立虚拟样机;运用Adams软件对机构进行了运动仿真,仿真中机构运行平稳。仿真结果表明,坐立卧式护理轮椅辅助人体坐、立、卧运动符合健康人体运动规律,验证了机构设计的合理性。

以一种两移动两转动(2T2R)自由度面对称(CRR)2S-(3R)2R并联机构为研究对象,基于方位特征集理论分析该机构的自由度数目和性质,并对其进行了运动学分析。应用坐标变换法,建立求机构位置正解的非线性方程组,并采用差分进化算法求解该方程组。推导出机构逆解解析表达式,应用数值算例验证机构正解、逆解的正确性。采用矢量法推导机构速度及加速度表达式,并应用Matlab编程绘制机构的位置、速度和加速度曲线。同时,应用Adams进行运动学仿真,并求得Matlab理论曲线与Adams仿真曲线的最大误差。结果表明,二者运动学分析曲线基本一致,表明该机构理论分析正确可靠。

提出一种对称三移动一转动(3T1R)4-PRPaU并联机构。根据杆长条件,建立机构位置正解模型,再转化为无约束优化问题,并运用差分进化算法求解。推导出机构位置逆解解析表达式,运用机构位置逆解验证机构位置正解的正确性。运用矢量法推导出机构速度、加速度表达式,给定机构尺度参数,并运用Matlab进行数值仿真。同时,运用Adams进行运动学仿真。结果表明,Adams运动仿真曲线与Matlab数值仿真曲线一致,验证了理论推导的正确性。

在机器人操作臂的研究过程中,其运动轨迹规划及动力学分析是重要部分。针对验电及架设接地线4自由度操作臂的结构特点,采用拉格朗日法建立了动力学模型,并进行了动力学分析,在4阶多项式规划的基础上提出了无冲击轨迹规划。利用Matlab中的Simulink模块得到各关节的力矩、力随时间变化的曲线。运用Adams软件对其进行动力学仿真,得到各关节的力矩、力仿真曲线;与Simulink计算出来的曲线进行对比,确定了动力学分析的正确性,为结构设计和系统控制奠定了基础。

为了协助上肢功能受损的肢体残障人士,开发了一种新型的外骨骼型机器人,称为上肢运动辅助机器人外骨骼,以减轻日常上肢运动并为患者提供有效的康复治疗。首先,在人机工程学上对整个可穿戴机器人进行设计建模。通过对外骨骼上肢运动学模型,建立D-H坐标,并应用拉格朗日法对其进行了动力学分析,求解出各关节的理论驱动转矩值。应用动力学分析软件Adams对机器人进行仿真,通过规划末端与能动轨迹和速度设定,得到各关节的转矩、速度、加速度的变化情况,从而逆向验证了动力学模型的正确性,为进一步优化机器人打下了基础。