4RRR冗余驱动柔性并联机构的优化控制研究

绳驱动柔性机器人运动学建模及主从控制研究
朱靖;齐飞;佘世刚;张恒;裴海珊
【期刊名称】《机电工程》
【年(卷),期】2023(40)2
【摘要】针对目前组装式绳驱动柔性机器人存在的装配复杂、控制精度差与刚度低等问题,提出了一种用于狭小空间探测的超冗余绳驱动柔性机器人。

首先,设计了一种通过卯榫连接的绳驱动柔性机械臂,基于常曲率假设,利用MATLAB软件建立了该机器臂的运动学模型,并对其工作空间与绳长变化量进行了仿真分析;然后,分别设计了基于上位机软件界面和增量映射模型的主从控制方法;最后,搭建了单关节的柔性检测机器人系统样机平台,并通过旋转弯曲与负载弯曲试验,对所建模型和控制策略进行了验证。

研究结果表明:新构型柔性机器臂可以解决柔性机器人刚度较低的问题,其运动特性明显优于芯柱型柔性机器人,其负载能力达到250 g时,末端位置的控制误差小于8%,满足柔性机器人的控制需求。

【总页数】9页(P266-274)
【作者】朱靖;齐飞;佘世刚;张恒;裴海珊
【作者单位】常州大学机械与轨道交通学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH122;TP242
【相关文献】
1.新型绳驱动混联肘腕康复机器人运动学分析
2.柔性驱动立筒仓清理机器人转动控制系统建模及简化
3.一种欠驱动两级柔性自平衡机器人的建模及其最优控制
4.三自由度绳驱动并联机器人运动学分析
5.足底驱动型下肢康复机器人的运动学建模与轨迹跟踪控制研究
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

空间并联机构弹性动力学优化设计陈修龙;张中供;邓昱【摘要】研究了4-UPS-UPU5自由度空间并联机构的弹性动力学优化设计.基于KED方法建立了并联机构的弹性动力学模型,以并联机构运动过程中5个驱动杆的最大变形能和最大动应力限制条件作为约束方程,将机构的总质量函数和基频函数整合成一个综合优化目标函数,分别采用fmincon函数和遗传算法进行优化设计,确定了并联机构动平台质量和5个驱动杆截面积的最佳参数值,验证了以上优化方法和优化结果的正确性与合理性.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2014(045)009【总页数】6页(P318-323)【关键词】空间并联机构;弹性动力学;优化设计【作者】陈修龙;张中供;邓昱【作者单位】山东科技大学机械电子工程学院,青岛266590;山东科技大学机械电子工程学院,青岛266590;山东科技大学机械电子工程学院,青岛266590【正文语种】中文【中图分类】TH112引言空间并联机构目前主要是向高速度、高精度和轻型化方向发展，因此对于高速空间并联机构，要获得最优的弹性特性，必须开展空间并联机构的弹性动力学优化设计研究。

但目前空间并联机构优化设计的研究主要是针对运动学[1－10]和刚体动力学[11－13]的优化设计，涉及空间并联机构弹性动力学优化设计的很少[14－16]。

本文以4-UPS-UPU空间并联机构为研究对象，构造出一种由机构的总质量函数和基频函数整合成的综合优化目标函数，并分别采用fmincon函数和遗传算法实现这类机构的弹性动力学优化设计，得到并联机构动平台质量和驱动杆截面积的最佳参数。

1 并联机构的弹性动力学模型4-UPS-UPU空间并联机构由动平台、定平台和连接动平台、定平台的5个分支组成，见图1、2。

定平台通过4个结构完全相同的驱动分支UPS（虎克铰-移动副-球副）以及另1个驱动分支UPU（虎克铰-移动副- 虎克铰）与动平台相连接。

由于4-UPS-UPU空间并联机构动平台、静平台以及驱动杆中摆动杆的刚度较大，应视为刚体；而驱动杆中伸缩杆刚度较低，应视为弹性体。

含方位特征支链并联机构构型综合与结构优化朱伟;沈惠平;刘晓飞;戴志明;朱小蓉【摘要】含方位特征支链的并联机构是一类特殊结构的刚度好、承载大的少自由度并联机构.首先,提出了含方位特征支链并联机构的构型组成原理,简化了该类机构的方位特征方程、自由度、耦合度等拓扑特征的计算公式,以及拓扑结构综合步骤;其次,根据方位特征方程,综合了2～5自由度方位特征支链以及无约束主动支链的拓扑结构型式,以4自由度并联机构为例,给出了该类机构结构综合的原则和方法.再次,根据方位特征支链中的驱动副数目(0、1、2)对机构进行分类,并给出具体结构设计案例.最后,针对部分机构存在的力学性能不好的问题,提出了支链结构优化和对称性结构优化2种拓扑结构优化方法及其相应案例.本文工作为含方位特征支链并联机构的拓扑结构综合提供了较系统的理论基础和设计方法.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2016(047)008【总页数】11页(P378-387,405)【关键词】并联机构;方位特征支链;拓扑结构【作者】朱伟;沈惠平;刘晓飞;戴志明;朱小蓉【作者单位】常州大学机械工程学院,常州213164;常州大学机械工程学院,常州213164;常州大学机械工程学院,常州213164;常州大学机械工程学院,常州213164;常州大学机械工程学院,常州213164【正文语种】中文【中图分类】TH112一般而言，并联机构(PM)的每条支链对运动平台运动均会产生相应的驱动和约束。

但有一类特殊的非完全对称PM，其运动输出特征是由其中某一条支链决定的，即方位特征支链(Position and orientation characteristics limb，POL)，其他支链均为只提供驱动的无约束主动支链(自由度为3或6)。

所谓方位特征支链是指，其末端输出运动类型恰为机构动平台的方位输出类型[1]，相比恰约束支链、满约束支链、被动支链、中间约束支链等概念[2-4]，其物理意义更加明确，并可分为主动特征支链(提供驱动和约束)和从动特征支链(仅提供约束)。

基于拉格朗日的冗余驱动并联机构刚体动力学建模陈修龙;孙德才;王清【摘要】针对4-UPS-RPU 4自由度冗余驱动并联机构的刚体动力学建模问题,基于拉格朗日方程建立冗余驱动并联机构动力学模型.首先,推导出4-UPS-RPU冗余驱动并联机构系统的动能表达式、势能表达式和作用于并联机构非保守力的等效广义力;然后,应用拉格朗日法建立4-UPS-RPU冗余驱动并联机构的动力学模型,为并联机构驱动力的求解以及整个机构的动力学分析奠定基础;最后结合算例,采用Matlab编程对动力学模型进行数值计算并绘制了机构驱动杆驱动力变化曲线,将上述分析结果与ADAMS虚拟仿真结果对比验证了所建动力学模型的正确性.研究不仅为4-UPS-RPU4自由度冗余驱动并联机构动力学优化设计和控制等后续研究提供了理论依据,也为其他冗余驱动并联机构的动力学建模提供了可行的方法.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2015(046)012【总页数】8页(P329-336)【关键词】冗余驱动并联机构;刚体动力学模型;拉格朗日方法;4自由度【作者】陈修龙;孙德才;王清【作者单位】山东科技大学机械电子工程学院,青岛266590;山东科技大学机械电子工程学院,青岛266590;山东科技大学土木工程与建筑学院,青岛266590【正文语种】中文【中图分类】TP241;TH112冗余驱动并联机构是输入构件数目多于输出构件自由度数的并联机构，由于它具有更大的承载能力、更高刚度和更高的定位精度等，受到了工业界和学者们的广泛关注，已成为国际机器人和机构学领域的研究热点[1-4]。

并联机构的刚体动力学模型是动力学性能分析评价、优化设计和控制的基础，一直是国内外学者的研究重点和难点，迄今已形成了基于牛顿-欧拉法、虚功原理和凯恩方程法等的并联机构动力学建模方法[5-9]。

目前虽然国内外学者对非冗余并联机构的刚体动力学进行了较深入研究，取得了一批有价值的研究成果，但针对冗余驱动并联机构刚体动力学建模的研究还相对较少[10-15]，已有的研究大都是基于牛顿-欧拉和凯恩法的建模方法[16]。

2024年第48卷第4期Journal of Mechanical Transmission一种基于3-UU并联机构的腕关节康复机器人研制田培良刘智飞王炜博马晓宝兰媛（太原理工大学机械与运载工程学院，山西太原030024）摘要在3-UU并联机构基础上研制腕关节康复机器人样机，辅助中风患者进行腕关节康复训练。

回顾了3-UU机构演化过程和自由度，根据3-UU机构的约束关系和几何特性，采用球坐标法和滚动-俯仰-偏航（Roll-Pitch-Yaw，RPY）法分析机构逆运动学，得到机构平台和驱动的关系式；将研制的样机与经典的3-RRR腕关节康复机构进行对比，得出本机构不存在多解和奇异值等优点；对样机运动性能以及前臂两大肌群的肌电信号进行了测试。

实验表明，该机构的最大横滚角度为-90°~90°，俯仰角度为-90°~90°，虚拟偏航角度为-180°~180°，最高能产生950 mV的肌电信号。

上述结果表明，所研制的样机能满足腕关节运动需求，对前臂肌群进行训练。

关键词腕关节训练并联机构逆运动学康复机器人Research and Manufacturing of Wrist Joint Rehabilitation Robots Based onthe 3-UU Parallel MechanismTian Peiliang Liu Zhifei Wang Weibo Ma Xiaobao Lan Yuan(College of Mechanical and Vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)Abstract Based on the 3-UU parallel mechanism, a prototype robot for wrist joint rehabilitation is devel⁃oped to assist stroke patients in wrist joint rehabilitation training. Based on the constraint relation and geometric characteristics of the 3-UU mechanism, the inverse kinematics of 3-UU mechanism is analyzed by spherical co⁃ordinate method and roll-pitch-yaw (RPY) method， and the relation between the platform and the driver is ob⁃tained. Compared with the classic 3-RRR wrist joint rehabilitation mechanism, the developed prototype has no advantages such as multi-solution and singular value. The motion performance of the prototype and the electro⁃myographic signals of the two major muscle groups in the forearm are measured. The experimental results show that the maximum roll angle is -90° to 90°, the pitch angle is -90° to 90°， and the virtual yaw angle is -180° to 180°. The maximum electromyogram (EMG) signal can be generated at 950 mV. The results show that the devel⁃oped model can meet the requirements of the wrist motion and train the forearm muscle group.Key words Wrist joint training Parallel mechanism Inverse kinematics Rehabilitation robot0 引言中风是一种很常见的疾病，会使大部分患者有不同程度的大脑受损，最终导致肢体僵硬。

2-DOF并联行程放大机构结构参数优化王晓磊;金振林;李晓丹【摘要】为研制一种能实现快速行走、运动灵活性好的仿生四足机器人,对一种能够实现机构末端位置行程放大的2自由度并联机构进行运动性能分析与结构参数优化,并将优化结果应用到仿生四足机器人的腿部机构,研制出样机.首先,推导2自由度并联行程放大机构位置反解,建立机构的线速度雅克比矩阵,对机构的工作空间进行分析.其次,建立机构运动灵活性能评价指标,揭示主要结构参数对灵活性能指标的影响规律.然后,采用容限加权法确定一组合理的结构参数,使运动灵活性能指标达到最优.最后,根据优化的结构参数设计出仿生四足机器人腿部机构和整体的虚拟样机,并进行虚拟样机运动仿真.仿真结果表明:并联行程放大机构各驱动参数变化平稳,理论速度和仿真速度误差在±1.6×10-6 m/s范围内,验证仿生四足机器人腿部机构设计方案和结构参数的合理性及理论推导的正确性,为该仿生四足机器人的进一步研究奠定了基础.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2019(027)005【总页数】10页(P1148-1157)【关键词】并联行程放大机构;运动灵活性;性能评价指标;结构参数;优化设计【作者】王晓磊;金振林;李晓丹【作者单位】燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004;辽宁工业大学机械工程与自动化学院 ,辽宁锦州121001;燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004;上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室 ,上海200240;辽宁工业大学机械工程与自动化学院 ,辽宁锦州121001【正文语种】中文【中图分类】TP242.61 引言少自由度并联机构因其具有结构简单、控制方便和成本较低等优点，在多种领域内得到了众多学者的广泛关注。

国内的上海交通大学高峰教授团队采用UP+2UPS、2RUS+RU等少自由度并联机构研究了多种多足步行器[1-4]；燕山大学金振林教授团队采用UP+UPR+UPS，(U+UPR)P+UPS，2UPS+UPU等少自由度并联机构研究了多种多足机器人的仿生机械腿[5-8]；天津大学的黄田教授团队研究了多种基于少自由度并联机构的重大装备[9-13]；李研彪等[14]采用空间模型技术对运动学进行优化，设计了一种4-DOF拟人机械腿部结构；程刚等[15]采用3-RPS机构设计一种并联仿生腿部机构，进行了相关的优化设计及运动学标定；王洪波教授团队等[16-17]采用四组UP+2UPS机构研制了四足/两足步行机器人，可实现两足和四足之间的转换行走；苗志怀等[18]采用2UPU+2UU机构设计了两足步行机器人，进行了步态、运动学及行走稳定性分析；高建设等[19]采用3-RRR球面并联机构为髋关节研究了一种串并混联的腿部机构，进行了运动学分析；荣誉等采用3-PUPS并联机构，研制了一种超冗余机械臂，可通过对各分支中驱动电机抱闸锁定，重新对机构进行组合实现31 种构型机构的转换[20]。

2-SPR/（U+UPR）P（vA）可重构并联机构的运动学与工作空间研究马春生米文博尹晓秦马振东（中北大学机械工程学院，山西太原030051）摘要提出了一种含可重构运动副的2-SPR/（U+UPR）P（vA）冗余并联机构，可应用于并联操作平台。

首先，建立了2-SPR/（U+UPR）P（vA）并联机构的螺旋矩阵，求解机构在R相和U相下的自由度，并应用修正的Kutzbach-Grübler公式对机构的自由度进行了验证；其次，应用闭环矢量法求解机构的两组运动学逆解并验证、应用粒子群优化算法研究建立机构在R相下的正解模型并验证；最后，联合使用SolidWorks和Matlab软件求解了机构在R相下的可达工作空间和U相下的平动工作空间。

研究结果为该机构的进一步优化和实际应用提供了理论支持。

关键词可重构并联机构运动学分析粒子群优化工作空间Research of Kinematics and Workspace of2-SPR/(U+UPR)P(vA)Reconfigurable Parallel MechanismMa Chunsheng Mi Wenbo Yin Xiaoqin Ma Zhendong（School of Mechanical Engineering，North University of China，Taiyuan030051，China）Abstract A2-SPR/(U+UPR)P(vA)redundant parallel mechanism with reconfigurable kinematic pairs is proposed，which can be applied to parallel operation platform.Firstly，the spiral matrix of the2-SPR/(U+UPR)P (vA)parallel mechanism is established，the DOF of the mechanism under the R and U phases are solved，and the DOF of the mechanism are verified by using modified Kutzbach-Grübler formula.Secondly，the closed-loop vector method is used to solve the two sets of inverse kinematic solutions of the mechanism and verifica⁃tion，and the particle swarm optimization algorithm is used to study and establish the positive solution model of the mechanism under the R phase and verify.Finally，software to solve the mechanism´s reachable workspace under the R phase and the translational workspace under the U phase are solved using SolidWorks combing with Matlab.The research results provide theoretical support for the further optimization and practical applica⁃tion of the mechanism.Key words Reconfigurable parallel mechanism Kinematics analysis Particle swarm optimization Workspace0引言近几年，国内外十分重视并联机构的研究。