一种旋转型机器人柔性关节设计与分析_史延雷
一种基于3-UU并联机构的腕关节康复机器人研制
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 on
the 3-UU Parallel Mechanism
Tian 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
机器人关节结构
机器人关节结构是指机器人身体部分中用于连接不同部件的关节部分。不同类型的机器人可以采用不同的关节结构，以适应其特定的运动需求和应用场景。以下是常见的几种机器人关节结构：
旋转关节（Revolute Joint）：这是最简单的关节结构，允许机器人在一个轴线上进行旋转运动，类似于人体的关节。旋转关节可以提供自由度，并在水平和垂直方向上实现旋转运动。
滑动关节（Prismatic Joint）：滑动关节允许机器人在一个直线轴上进行平移运动，类似于滑动门或抽屉的滑轨。滑动关节可以提供自由度，并在直线轴上实现前后或上下的平移运动。
副旋关节（Cylindrical Joint）：副旋关节结合了旋转和滑动的运动，允许机器人在一个轴线上旋转并沿着该轴线进行平移。这种关节结构可以实现复杂的运动模式，例如螺旋运动。
副滑关节（Prismatic-Revolute Joint）：副滑关节结合了滑动和旋转的运动，允许机器人在一个轴线上进行平移和旋转运动。这种关节结构可以提供更大的灵活性和多样化的运动模式。
球面关节（Ball Joint）：球面关节允许机器人在三个轴上进行旋转运动，类似于人体肩关节。这种关节结构可以提供更大范围的运动自由度，使机器人能够在三维空间内进行复杂的运动。
这些关节结构可以单独或组合使用，形成不同类型的机器人关节系统，以实现所需的运动能力和灵活性。机器人关节的选择和设计需要考虑到机器人的应用需求、载荷要求、精度要求以及成本和制造复杂性等因素。
柔性机器人的关节设计与制作
第８卷第８期 ２０１３年８月 中国科技论文 ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥＰＡＰＥＲ Ｖｏ１．８ Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２０１３
柔性机器人的关节设计与制作
佘跃庆，马 兰，崔忠炜，吕 强
（北京工业大学机电学院，北京１００１２４）
摘要：本文设计了一种应用于并联机器人上的新型开槽式薄壁柔性关节。以并联机器人运动过程中关节所需的最大扭转刚 度以及运动产生的关节最大扭转角度作为设计条件，对关节结构进行设计计算，确定关节几何尺寸。然后根据设计尺寸及使用 条件，选择弹性较大并且便于加工的弹簧钢６５Ｍｎ为材料进行加工制作，并将实物安装在并联机器人上。该关节利用扭转变形 作为主要变形方式，具有扭转角度大和轴线相对固定不易漂移的优点。 关键词：机器人；柔性结构；关节；设计；制造 中图分类号：ＴＨｌｌ２；ＴＰ２４２ 文献标志码：Ａ 文章编号：２０９５—２７８３（２０１３）０８—０７８４～０３
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｆｌｅｘｕｒｅ ｒｏｂｏｔ ｊｏｉｎｔｓ
Ｙｕ Ｙｕｅｑｉｎｇ，Ｍａ Ｌａｎ，Ｃｕｉ Ｚｈｏｎｇｗｅｉ，Ｉｍ Ｑｉａｎｇ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１２４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｏｐｅｎ ｔｈｉｎ－ｗａｌｌｅｄ ｆｌｅｘｕｒｅ ｊｏｉｎｔｓ ｆｏｒ ｐａｒａｌｌｅｌ ｒｏｂｏｔｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｒｅ ａｓ— ｓｉｇｎｅｄ ａｓ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｊｏｉｎｔｓ．Ｔｈｅ ｊｏｉｎｔｓ ｍａｄｅ ｏｆ ６５Ｍｎ ｓｐｒｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ａｒｅ ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｒｏｂｏｔ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｔｏｒｓｉｏｎ ｉＳ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｍｏｄｅ ｏｆ ｏｐｅｎ ｔｈｉｎ－ｗａｌｌ ｆｌｅｘｕｒｅ ｏｉｎｔｓ’ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｖｅｒｉ ｔｉｅｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｌａｒｇｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｆｉｘｅｄ ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｘｉｓ ｆｏｒ ｓｕｃｈ ｊｏｉｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏｂｏｔ；ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｊｏｉｎｔ；ｄｅｓｉｇｎ；ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
柔性关节设计
柔性关节设计
摘要 柔性关节技术是一种先进的机器人关节机械臂结构，由于其“柔”的特性使得其相对于刚性关节具有更加安全、局限性更小、能量利用率更高的特点。 这也是如今各个国家及研究所大力研究机器人柔性关节的重要意义。本文主要以柔性关节为研究对象，以变更刚度为目标，对各种可以变更刚度的柔性关节技术进行系统性分析。
关键词 机器人；机械臂；柔性关节；可变更刚度
前言
随着当前科学技术的发展，机器人领域中迫切需要一种在人类工作环境中服务于人类的更加“温柔”的对人类不会造成伤害的具有环境友好性的机器人。而这种机器人的实现需要一个必要条件，就是实现其关节柔性。
1 背景
关节类型机器人由于其灵活的活动性能、较大的活动空间等特点广泛的在工业、医疗等等各个领域内应用。传统刚性关节设计在其运动速度、精度等方面已经达到里比较高的水平，但是随着机器人的普及，刚性关节已经不能满足人们对技术的要求；工作在一些障碍物较多的未知的环境中，刚性关节常常因为碰撞到障碍物最终导致损坏和缺失；在承担危险救援工作的时候，刚性机器人难免会对被救人员造成二次伤害，刚性机器人装上再多的传感器，安全系数也达不到人们的要求[1]。
为了改变这种现状，人们发现大自然中的动物和人类的关节表现出了很是出色的一些运动的特性，快速响应的能力、大力矩输出能力以及良好的柔顺特性。人们通过对动物关节原理的研究和分析，柔性关节技术应运而生。
2 动物柔性关节原理研究及分析
人体的膝关节上连股骨下接胫骨，它是人体结构最复杂而且是最大的关节，人类的很多动作都要靠它来完成。膝关节的动力由股四头肌提供，靠股四头肌收缩完成大小腿屈伸及站立动作，股四头肌通过肌腱和韧带与胫骨连接，通过韧带、肌腱牵引胫骨转动。肌腱具有极强的黏性，在受到快速的拉伸时可以产生非常大的弹力，肌腱的串联弹性能让肌肉运动时刻处于最佳范围之内，跳跃、奔跑中，关节的肌腱和韧带可以为动物储能和释放能量，也称为弹性储能单元。主要作用有能量储存、柔性缓冲以及能量放大。
轮腿式机器人运动学分析及其步态规划
44 / 2023年第21期陈耀轩，周子尧，王峥宇，等.轮腿式机器人运动学分析及其步态规划[J].起重运输机械，2023（21）：44-50.引 用 格 式0 引言目前，智能机器人领域的发展呈现多元化、智能化等趋势，机器人产业得到极大发展，各种可移动机器人陆续被研制出来协助人们的生产和生活，使用移动机器人替代人类在各领域工作的研究也吸引了诸多学者的关注 [1]。按照移动机器人结构的不同，可将其分为轮式、腿式、履带式机器人等[2]。面对较为复杂的路面，传统的依靠单一移动模式的机器人逐渐难以满足需求。因此，复合式地面移动机器人成为重点研究热点[3]。目前，轮腿式结构主要有3种，轮子安装在机器人腿的末端，轮腿步态转换依靠末端轮子的收放；轮子与机器人腿结构分开，轮腿步态转换依靠各机构独自运行[4]；轮腿混合机构，该机构具有轮式与腿式机器人的部分特征，轮腿步态不严格区分。这3种轮腿机器人结构提高了机器人在非结构特种环境下的运动性能。轮腿式机器人兼具轮式机器人的快速性、平稳性以及腿式机器人的高越障性，可以随外界环境调整自己的运动姿态，已经成为移动机器人领域一个充满活力、具有挑战性的前沿发展方向[5]。本文设计了一种多功能、可实现构型切换、可搭载末端夹取装置的轮腿式机器人，该轮腿机器人拥有4条肢体，每条肢体都是由关节模块和碳纤维连接板组成的三自由度机械腿，通过仿真和试验分析来验证其稳定性。1 机器人机械结构设计1.1 躯体结构设计
轮腿机器人躯体部分主要由碳纤维板和亚克力板构成，在机壳前端头部安装有双目相机，在后端装有躯体轮；躯体内部布置有电池组、上位机和下轮腿式机器人运动学分析及其步态规划陈耀轩1 周子尧1 王峥宇1 梅 杰1，2 陈 昆1，21武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430063 2武汉理工大学智能制造与控制研究所 武汉 430063摘 要：文中提出了一种可实现构型切换的轮腿式机器人，能根据地形的不同切换为不同的构型，且前腿末端可与夹取装置相结合，能够通过变换姿态构型将前腿用作机械臂，通过配合前臂关节与末端夹取装置协调运动以实现远程代替人工进行作业的功能；对轮腿机器人在运动过程中进行单腿的正/逆运动学分析；对轮腿机器人进行了CPG步态规划和可操作性仿真分析。结果表明：轮腿机器人运动平稳，前腿在混用为机械臂时可操作空间大，验证了可重构轮腿式机器人机械结构的可行性和合理性。关键词：轮腿式机器人；构型切换；运动学分析；步态仿真中图分类号：TP242.2 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2023）21-0044-07Abstract:
张拉整体机器人构型与运动控制研究现状及进展
张拉整体机器人构型与运动控制研究现状及进展
曹心言1，李润源2，陈嘉郡2，李傢楷3，易江4，孙中波5，段晓琴4
（1.吉林大学汽车工程学院 吉林 长春 130021；2.吉林大学护理学院 吉林 长春 130021； 3.吉林大学机械与航空航天工程学院 吉林 长春 130021；4.吉林大学第二医院康复医学科 吉林 长春 130041；5.长春工业大学控制工程系 吉林 长春 130021）
摘 要 研究发现张拉整体结构存在于细胞骨架、肌肉-骨骼系统等生物体，并将其原理广泛应用于建筑、雕塑、空间探测等工程结构中。张拉整体结构具有形态可调性、受力可控性、绳索抗拉性和结构轻质、结构自稳定等优势，因此在机器人领域极具应用前景。而软体机器人作为一种新型、仿生、能与人安全交互的机器人，近年来成为力学、材料学、医学、生物学等多学科交叉领域的研究热点之一。但是，要想实现灵活准确的运动、高效地承受外载、迅速地适应环境等复杂特性和功能，张拉整体机器人在其构型、运动步态及控制研究等方面依旧面临着巨大挑战。本研究选取张拉整体机器人的三大典型类别（棱柱形张拉整体机器人、球形张拉整体机器人及构型较复杂的张拉整体机器人），对其构型、运动步态及控制的国内外相关研究现状和发展趋势进行综述，旨在为机器人的仿生学研究提供科学依据。关键词 张拉整体机器人；结构形态；运动控制中图分类号 TP24 文献标识码 A 文章编号 2096-7721（2024）02-0130-08
Current status and development of configuration and motion control of
tensegrity robots
CAO Xinyan1, LI Runyuan2, CHEN Jiajun2, LI Jiakai3, YI Jiang4, SUN Zhongbo5, DUAN Xiaoqin4
(1. College of Automotive Engineering, Jilin University, Jilin 130021, China; 2.College of Nursing, Jilin University, Jilin 130021, China; 3.College of Mechanical and Aerospace Engineering, Jilin University, Jilin 130021, China; 4.Department of Rehabilitation, the Second Hospital of Jilin University, Jilin 130041, China; 5.College of Control Engineering, Changchun University of Technology, Jilin 130021, China)