针对液压支架顶梁焊接过程中焊接工艺不完善、焊接难度大的现状,设计一种五自由度焊接机械臂,以保证顶梁的焊接效率和质量。基于改进D-H参数建模方法,对顶梁焊接机械臂进行正、逆运动学分析求解;采用蒙特卡罗法对液压支架顶梁焊接机械臂的有效工作空间进行分析;使用MATLAB中Robotics Toolbox工具箱对焊接机械臂进行建模和轨迹规划分析和仿真,得到各关节的角位移、角速度以及角加速度曲线;使用Adams得到机械臂的实时跟踪轨迹,经验证可知MATLAB的轨迹规划是正确的。分析仿真结果可得,设计的顶梁焊接机械臂轨迹平稳并连续,满足运动学要求,为后续顶梁焊接机械臂的动静力学分析和优化设计以及运动控制奠定了基础。

针对现有的自动上甑设备存在的机器人成本高、工作空间局限、对图像采集设备性能要求高等问题,设计了一款五自由度专用上甑机器人,实现了多工位之间的切换作业,摆头末端的三维准确定位及摆动高度差的补偿等功能,并利用MATLAB仿真验证了其工作空间。热像仪安装于可回转的铺料头上,采用多点图像采集再拼接的方法实现了甑桶料层表面温度信息采集;通过图像区域分块、阈值化处理和特征点匹配对两级筛选的方法对基于SURF算法的图像拼接方法进行优化改进,提高了图像拼接的实时性和准确性,最后用实验证明了改进方法的有效性。

髋关节是人体重要的负重关节之一,其容易受损伤。为帮助髋关节患者早日康复并实现自由行走,提出一种2-UPS/RRP调心式髋关节康复机构。基于螺旋理论建立了机构的螺旋矩阵,采用位置矢量法求出机构的位置逆解。利用三维动态法将数据点导入MATLAB中,求出了机构的工作空间。利用ADAMS对机构进行前屈/后伸和内收/外展的康复仿真。结果表明2-UPS/RRP调心式髋关节康复机构具有3个自由度,工作空间呈实心曲面状,机构前屈/后伸和内收/外展的角度分别可达58°/58°、19°/28°,可满足髋关节患者的需求。机构的调心功能保证了人机转动中心的一致性,使得康复过程更加安全。

设计了一种新型的胶囊驱动机器人,用于控制胶囊在胃肠道内的运动和定位。首先,建立胶囊驱动机器人的三维数字化模型;其次,利用齐次变换矩阵来确定驱动机器人运动过程中的位姿,同时利用D-H坐标系法进行运动学正逆解的相关计算;最后,利用MATLAB软件完成运动学建模与仿真,进行驱动机器人的工作空间分析及运动学验证。结果表明,通过控制五自由度的驱动机器人,能在平面任何方向上引导胶囊穿过胃肠道。

针对双臂协作机器人在票据自动报销处理过程中,票据高速移动、翻转、高精度动态对位及机械臂完备工作空间设计等问题进行详细分析。通过D-H约定建立机械臂空间坐标系,求解相应正逆运动学方程,并根据正运动学方程求出机械臂末端工作空间云图,运用蒙特卡洛法遍历双臂相对距离取值范围,求取工作空间最大交会情况下双臂相对距离。对末端执行器不同对接位置进行仿真研究,分析末端执行器平均加速度波动情况,获得动态精度最优情况下的位置参数,为双臂机器人动态精度设计及精准控制奠定基础。

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。

针对传统D-H法以及旋量法进行机器人运动学分析过程中存在运算效率低、奇异性的问题,采用倍四元数求解了缝纫机器人的运动学参数。建立倍四元数形式的缝纫机器人的运动学方程,应用消元法构造Dixon结式,实现运动学参数求解。在受限工作范围内进行运动学分析仿真,结果表明,该方法运算效率高,较D-H法在速度上提高了10%左右,可为机器人纺织缝纫过程中的运动控制提供理论依据。

根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论和方法,设计了一种可实现两平移一转动(2T1R)输出运动的半对称并联机构,并对该机构的方位特征集、自由度、耦合度3个主要拓扑特征进行了分析计算,表明该机构的耦合度为1。然后,基于序单开链(Single Open Chain,SOC)的运动学建模原理,求解了机构的位置正解,导出位置机构反解解析式;进一步根据导出的位置反解公式分析了该机构的工作空间及其转动能力,研究了机构发生奇异的条件;并对机构的速度及其加速度进行了仿真分析。最后,对机构应用于脚踝按摩仪的原理进行了分析。

根据变胞理论,提出一种新型可变转动副轴线的2-PrRS-PR(P)S并联变胞机构,通过机构两个分支转动副轴线角度的改变实现机构变胞。首先,分析得出机构两个工作构态的运动学反解;其次,分析机构各参数对不同构态工作空间的限制,采用三维扫描法求解机构两个工作构态的工作空间;最后,研究机构各参数变化对机构不同构态工作空间体积大小的影响,以工作空间体积最大化为目标,利用遗传算法和单一变量法优化机构的结构参数。

以典型的3-RSS型Delta并联分拣机器人为研究对象,进行了机器人结构的设计、运动学分析,推导了该机器人工作位置的正逆解方程,采用MATLAB进行了正逆工作位置方程的求解,并对该机器人执行器末端工作空间进行了运动学仿真,得到了并联机器人的工作空间,对Delta并联分拣机器人的运动控制具有较为重要的参考意义。