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
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
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并联腿机构在四足_两足可重组步行机器人中的应用
图３步行椅
图４ Ｈｕｂｏ ＦＸ．１
国内上海交通大学２００３年底开展了人机一体 化两足步行假肢的研究。该项研究的目标是实现两 足步行椅机器人载人情况下的稳定步行。机器人关
图６ Ｐａｒａ－ｗａｌｋｅｒ
２００１年日本早稻田大学高西研究室研发了世 界上第一台并联腿机构两足步行机器人ＷＬ．１５，之 后又相继开发了ＷＬ．１６、ＷＬ一１６Ｒ、ＷＬ．１６ＲＩＩ、 ＷＬ．１６ＲＩＩＩ［¨。２００６年推出最新一代ＷＬ．１６ＲＩＶ，如 图７所示。两个腿分别由６自由度并联机构组成， 两条腿共１２自由度。该机器人总重质量６８ ｋｇ，可 载人７５ ｋｇ，载物８０ ｋｇ，完成了载人上下台阶和不 平整地面行走的各种试验。
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｌｅｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｉｎ Ｑｕａｄｒｕｐｅｄ／Ｂｉｐｅｄ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｗａｌｋｉｎｇ Ｒｏｂｏｔ
ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇｂｏ ＱＩ Ｚｈｅｎｇｙａｎ ＨＵ Ｚｈｅｎｇｗｅｉ ＨＵＡＮＧ Ｚｈｅｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｓｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６００４）
第４５卷第８期 ２００９年８月
机械工程学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｖ０１．４５ Ａｕｇ．
ＮＯ．８ ２００９
ＤｏＩ：１０．３９０１／ＪＭＥ．２００９．０８．０２４
并联腿机构在四足／两足可重组步行 机器人中的应用木
王洪波齐政彦胡正伟 黄 真
（燕山大学机械工程学院秦皇岛０６６００４）
当前已经综合出很多种３自由度并联机构，但 当机器人四足行走时，要求并联腿机构能够灵活地 实现三维空间的移动；当机器人在四足和两足之间 变换结构时，要求并联机构能方便地实现连接和拆 分。考虑上述因素，选用能够实现三维移动的３－ＵＰＵ 并联机构，作为四足步行机器人的腿机构，机构模 型如图１３所示。
空间并联机构弹性动力学优化设计
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
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)。
基于柔索驱动的踝关节康复机器人的研究
达工作空间大、惯性小 、制造成本低、易于进行结构 变 更等 一系 列优 点 ，正 被逐 步应用 于康 复运 动 的主 动控制中＿５＿。因此设计一种基于柔索驱动的康 复 机 器人 以满 足不 同患 者对踝 关节 的康 复需求 ，这 不 仅 拓宽 了柔 索驱 动并联 机器 人 的应用 范 围 ，而且 在 探索康复机器人领域 的研究 中有着重要 的理论价 值 。同时 ，将踝关节康复 机器人转化为机器人 产 品 ，为踝 足关 节损 伤患 者提供 一 种更安 全 可靠 的康 复 设备 ，也具 有 重要 的实 际意义 。
１ 踝 关 节 运 动 特 点
分析踝关节的运动特 点是设计踝关节康复机 器人的前提 ，也是 评价踝关节康 复效果的主要依 据［６ｌ。
人体踝 关 节可视 为球 面 副 ，其 运动可 简化 为在 ３个 平 面 内 的 转 动 ，最 主 要 运 动 为 背 伸 ～２５。～ 一 ３０。、趾 屈 ４０。～５０。，此 外 还 有 内收 ２５。～３０。、外 展 一２５。～ 一３０。和外 翻 １５。、内翻 一３５。～ 一４０。２种 运动 方式 【７ｌ。
２ 柔 索 驱 动 踝 关 节 康 复 机 器 人 整 体 设 计 方 案
由于柔 索 只能施加 单 向 的拉 力 ，所 以必 须有冗 余力才能实现动平 台的力 闭合 ，为实现 个 自由 度 的运动 ，必须有（ ＋１）根柔索作为驱动元件＿８Ｊ。 由于柔索驱动 的特性限制 ，完整约束机器人实现的 运 动形式 很有 限 ，为此本 文加 人 由支撑杆 和球 铰组
变化都是连续的 ，证明了实验的可操作性 。
３ｏ０
１２０
（ａ）内翻 、外翻运 动
三自由度平面驱动冗余并联机器人的设计空间
究， 文献 （ 于 固高 （ ２基 ３ 深圳 ） 科技 有 限公 司生 产 的平 面二 自由度 驱 动冗 余 并 联 机 器 人 对其 建模 、 化控 优 制与应 用作 了研 究 。但 是 ， 于平 面 三 自由度驱 动 关 冗 余 并联 机器 人 的研究 工作 开展 的却 是很 少 。
为一 个新 的热 点 。
上世 纪 ８ ０年代 以来 ， 杨基 厚 和高峰 提 出 了空 间 模型 理论 ， 用来 研究 平 面 四杆 机 构 性 能 与尺 寸 之 并 间 的关系 ， 得 了很 好 的效 果 Ｌ。近 ２ 取 ３ Ｊ ０年来 ， 峰 高
和刘辛 军进 一 步继 承 和 发 展 了 空 间模 型 理论 ， 其 将 引入 并 联机 器人 研究 领 域 ， 得 了很 好 的成绩 取 。 可见 空 间模型 理论 是解 决机器 人 机构运 动学 尺寸 综
个非线性 、 强耦合 的问题 。机器 人机 构尺 寸综合 不
能只满足某 一特定 的性 能评价 指标 ， 而应满 足普遍 的 性能评价 ， 由于机构 尺寸参数 号 陛能评 价指 标之 间具 有非线性 、 多元性 和 耦合 性 ， 以并联 机 器 人机 构 运 所 动学 尺寸综合是一 个非常 困难 和复杂 的问题 。
床等 领域得 到 了重要 的应用 。
且可 以采用 不 同 的量 纲 来 度 量 ， 这将 使 全 面 研 究 机
器人 机构性 能 与机构 运 动学 尺寸 的之 间关 系变得 极 其 困难 。
但是 由于 其 本 身结 构 的 原 因 ， 联 机 器 人 机构 并 也 存 在一些 明显 的不 足 ， 比如工 作 空 间小 、 异 性 、 奇 标定 困难 等 。 由于机器 人 的奇异 性使 得本 来很 小 的 工作 空 间变 得更 小 ， 而冗 余 驱 动 可 以改 善 并联 机 器 人 的性 能 ， 因而关 于 驱动 冗 余 并 联 机 器 人 的研 究 成
自适应控制策略在并联机构上的应用
向 ，这也 是获 得好 的 系统控 制性 能 的关 键所 在 。人 们在 对于 并联 机构控 制 问题 的研 究 时 ，主 要考 虑到
了并联机构 动力学方程 的结构 特性 与 串联机 构相 同，
１ 机构 描述
本 文 的研 究对 象 是 一 台 平 面 二 自 由度 并联 机 构 ，其 机构 简 图如 图 １ 示 ，建 立 机构 在工 作平 面 所 内的坐 标 ，坐标 单位选 为 国 际标准 单位 ：米 。整 个 机 构 由 ３ 分 别安装 在基 座 Ａ１ 个 ，Ａ２ ，Ａ３ 的 交流 处
通 过实 际 系统 的实 验来 测试控 制 效果 的优越 性 。文 中的 内容 安排如 下 ：首 先介 绍对 象 的机械 结构 ，并 简要推 导 了对 象 的动 力 学模 型 ，然 后推导 出动 力学 模 型 的线性 化形 式 并给 出 自适应控 制 器结构 ，最 后 给 出实 验 结果 及其 分析 。
平面两自由度驱动冗余并联机器人的运动及灵巧性分析
中图分类号 ： Ｐ ４ Ｔ ２２
文献标识码 ： Ａ
是定 平 台 三 个 顶 点 Ｍ １Ｍ２和 Ｍ ３ 成 的 正 三 角 形 、 组
１ 前言
并联 机构相 对 串联机构 具有 高 刚度 、 高承载 能力 、 高精 度 、 构 紧凑 等特 点 ， 结 使其 在某些 工业 领域 中 已经
Ｌ Ｌ 十 ２ Ｌ） ：（ Ｌ 十 ， ３ Ｌ ／
．
具有相当重要 的地位和价值 ｌ 。但 由于结构 的限 制， 并联 机构亦 存 在一 些 明显 的不 足 ， 灵 活度 、 如 奇异 性及 标定 困难 等等 。 由于 冗余性 可 以改善 并联 机构 的
这 些特性 ， 因此 ， 冗余 并联机 器人 已经成 为 并联 机器人 家族 中不可 缺少 的一 部分 ． Ｅ益成 为 研 究热 点［５。 而 ｔ ４ ． ３
Ⅱｆ ＋ ＋ ｃ：０ （ ＝１２ ３ ｉ ．．）
种 情况 ： （ ）１ ２其工作空间是一个 圆， １ ｚ；ｆ ， 如图 ３ 所示 ； ａ （ ） １ ２ 其 工 作 空 间 是 一 个 圆 环 ， 图 ３ ２ ｚ＞ ． 如 ｂ所
（） １ （） ２
： Ｌ （＝ ，，） Ｌ ／ ｉｌ ３ ２
— —
式 中 ： ， — 杆件 的 实 际 长度 ； Ｌ—
．
杆 件 的 相 对 长 度 ． 一十 无 量 纲 参数 。 是
由式 （ ） （ ） ： １和 ２得
１ 十ｆ： ＋２ ３３ （） ３
机 器人冗余 有运 动学冗 余 、 传感冗 余和 驱动 冗余 几类 。 ． 本文研究 的对象 是 一种平面 两 自由度驱 动冗余 并联机 器 人 ． 并联机 器人 可 以具 有无奇 异工 作 空间 、 该 其运 动
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4RRR冗余驱动柔性并联机构的优化控制研究
摘要：柔性并联机构作为一种新型机构，具有轻质化、高精度、高刚度和高自由度等优点，在工业生产和科学研究中得到了广泛应用。
然而，由于机构本身的柔性特性，其动力学性能和控制精度仍然存在一定的挑战。
本文针对4RRR冗余驱动柔性并联机构的优化控制问题展开研究，旨在提高其动力学性能和控制精度。
首先，本文建立了4RRR冗余驱动柔性并联机构的数学模型。
通过对机构的几何特性、材料特性和运动学特性进行分析，得到了机构的动力学方程。
同时，考虑到机构的冗余驱动特性，引入了冗余度参数来增加机构的自由度。
基于这个模型，可以对机构的动力学性能进行分析和优化。
其次，针对机构的动力学性能优化，本文提出了一种基于优化控制的方法。
通过建立机构的控制模型，采用优化算法来优化控制输入信号，以实现机构的动力学性能优化。
考虑到机构的柔性特性，本文还引入了自适应控制算法，以实现对机构柔性变形的补偿。
通过仿真实验验证了该方法的有效性。
最后，本文对4RRR冗余驱动柔性并联机构的控制精度进行了研究。
通过分析机构的控制精度问题，提出了一种基于传感器融合的方法。
通过融合多种传感器的信息，可以提高机构的位置测量精度和运动控制精度。
通过仿真实验验证了该方法的有效性。
综上所述，本文通过对4RRR冗余驱动柔性并联机构的优化控制研究，提出了一种基于优化控制和自适应控制的方法，以提高机构的动力学性能和控制精度。
该研究对于柔性并联机构的应用和发展具有重要意义，有助于提高工业生产和科学研究中的机械系统性能。