可调足式机器人腿部机构设计

为实现腿部机构足端轨迹多样化以增强足式机器人地面适应性，同时提高其运动稳定性，课题组基于曲柄摇杆和曲柄滑块机构设计了一种可调整足式机器人腿部机构。采用解析法对该机构进行了运动学分析，建立了以理想的足端轨迹为设计要求的单目标优化模型，考虑了腿部机构运动过程中的平稳性，引入了速度波动指标，以轨迹 速度为设计目标，采用NSGA Ⅱ多目标优化方法对机构进行优化，对优化结果进行了对比分析；基于多目标优化结果建立了腿部机构的足端轨迹库，并进行腿部机构多步态分析；以该腿部机构构建4足机器人三维模型，运用ADAMS对整机进行运动仿真。研究结果表明：多目标优化比单目标优化的轨迹误差增大了0.16%，而速度波动降低了5.84%；多目标优化与已有相关研究相比，速度波动幅值降低了25.44 mm/s。4足机器人三维模型仿真结果验证了可调整腿部机构的设计具有可行性。     

轮腿可变式移动机器人的结构设计

针对移动机器人在复杂多变环境下执行搜救侦察任务时机动性、越障性存在的不足，课题组提出了一种新型轮腿可变式移动机器人的设计方案。课题组通过对变径机构的设计使得机器人可以实现轮式和轮腿式2种工作模式的自如变换；采用修正的Kutzbach Grubler公式对变径机构自由度进行了分析；利用速度瞬心法对移动机器人以轮式模式工作时进行运动学求解；利用拉格朗日法建立了移动机器人的动力学模型；最后通过ADAMS软件对移动机器人进行仿真实验分析。研究结果表明：该机器人整机结构设计合理，运动平稳，具有较强的机动性与地形适应性。该研究弥补了单一运动模式的机器人在地形适应能力上的不足。     

服务机器人的双臂运动学仿真研究

目前服务机器人存在结构复杂、价格昂贵等问题，课题组设计了能满足日常服务的四自由度服务机器人的双臂。设计服务机器人双臂的主要结构：采用D H法建立各臂连杆的参考坐标系；求解了运动学的正逆解；利用MATLAB编程求解单臂的工作空间；利用MATLAB建立双臂运动仿真模型。空间轮廓运动仿真结果验证了正逆运动学求解的正确性。该双臂工作空间能满足日常服务需求。     

仿蜘蛛救援机械臂结构设计与研究

针对非结构化环境下的救援任务,结合生物界蜘蛛腿部的运动特性,设计了一种仿蜘蛛式救援机械臂。基于机构学数学基础的拉格朗日方程求解救援机械臂的动力学模型。鉴于救援机器人的实时性、自适应等特性,分析径向基函数神经网络的控制策略,提出基于径向基函数神经网络救援机械臂的控制策略。采用径向基三层前向网络设计救援机器人的控制方案,重点探讨了救援机器人单关节的神经网络控制方法,并对其进行Matlab仿真。结果表明:所设计的控制方法可实现救援机械臂的自适应性和鲁棒性。     

四轴机器人控制系统设计

针对四轴机器人运动控制问题,设计开发了一套基于雷赛运动控制器和触摸屏的具有人机交互功能的四轴机器人运动控制 系统。首先采用改良D H法建立了机器人的运动学模型,并对机器人进行运动学分析,求得了机器人的正逆运动学的解。然后分析划分了机器人控制系统的功能 ,在运动控制器上开发了相应的参数设置模块、状态监测模块、文件管理模块和运动控制模块,并在触摸屏上设计了人机交互界面。最后通过分析机器人在空间 的直线运动,设计了机器人直线插补算法,并在运动控制器上开发了相应的插补运动模块。经实验验证,控制系统能够有效地对四轴机器人进行运动控制,且运 动过程平稳可靠。控制系统解决了四轴机器人的运动控制问题。     

基于2UU UPU并联机构的4足机器人设计

针对串联4足机器人负载能力低及由误差累积导致的控制精度低的问题，课题组采用2UU UPU并联机构作为4足机器人大腿基本构型，并在动平台上添加一长杆作为小腿结构设计了新型4足机器人。首先基于修正的Kutabach Grübler公式计算单腿机构的自由度并进行验证；其次利用几何关系求解该结构的逆解表达式；然后基于结构的约束条件，借助MATLAB软件求得该并联机构的工作空间；接着在SolidWorks中建立4足机器人的三维模型；最后进行4足机器人的步态规划和仿真分析。结果表明：该机构工作空间大，运动平稳，控制方便，适合作为4足机器人腿部结构。该研究在工程上有一定的实用性。     

悬挂式协作机器人设计与分析

针对老年人独处晾晒衣物困难的问题,基于人机协作的特点及要求,研究设计一种悬挂式协作机器人,其主要由机械臂和末端手爪等部件组成,机械臂由两关节构成,采用Matlab软件求解协作机器人的运动空间云图;基于指数积公式,求解悬挂协作机器人的运动学方程;依据机器人的工作流程,采用UG软件对其进行运动仿真分析,求解其位移和加速度随时间的变化规律;最后,采用PLC对其进行控制研究,获取机器人的控制信号,为协作机器人的设计研究提供一种理论基础。     

三自由度机械臂增材制造装置及控制系统设计

针对传统增材制造装置结构单一和打印空间有限的问题,开发了一种三自由度机械臂熔融沉积式增材制造装置。对该装置进行三维建模,其主要包含1个转动关节和2个移动关节,采用θ、ρ和z作为该装置旋转运动、水平运动和垂直运动的参量,基于圆柱坐标系进行运动建模和运动分析。选用倍福控制器C6920作为三自由度机械臂熔融沉积增材制造装置的控制系统,基于TwinCAT软件进行人机交互界面的开发,采用G代码编写各轴的联动程序,将传统的基于笛卡儿直角坐标系的直线插补转化为基于圆柱坐标系下的插补运算。最后,在三自由度机械臂熔融沉积式增材制造样机上进行了零件打印实验。与传统台式熔融沉积式增材制造装置相比,打印零件在尺寸精度和表面质量方面显著提高。     

非结构化环境下四足机器人避障性能研究

针对机器人在非结构化环境中的自适应运动问题,研究设计一种四足爬行机器人,主要由膝关节/髋关节组成,结合机器人数学基础,建立机器人运动学模型。鉴于生物控制中节律运动特点,利用hopf神经元模型对生物中枢模式发生器进行机理建模,设计基于CPG模型的四足机器人网络拓扑结构,分析四足机器人拓扑结构下的步态特点。采用ADAMS软件对该机器人避障的特性进行仿真分析,结果表明:该模型能够便捷地切换方向,完成避障运动,拓展了生物控制在多足机器人运动中的应用。     

弹性机械臂的灵敏度分析

本文建立了两臂机器人的弹性多体动力学模型,并在此基础上分析了机械臂端点运动对于关节阻尼,关节弹簧刚度的灵敏度。     

焊接机械臂结构设计及关键部件强度分析

以自主研发用于工业中常见的相贯线焊缝焊接的机器人为目标,根据所需机械臂性能及结构要求,确定机械臂 总体设计方案及各个机构形式。运用三维软件SolidWorks实现机械臂整体结构的实体建模。分析机器人在其运动范围 内的极限工况,运用有限元软件ANSYS Workbench完成对其关键部件（基座,大臂,小臂）的有限元静态分析,验证了所 设计机器人结构的可靠性,能够满足任务精度要求,为机械臂的样机制作提供了理论依据。     

基于MATLAB的汽车塑料内饰件打磨路径规划仿真

为提高汽车塑料内饰件的打磨效率，注塑厂引入工业机器人打磨工作站来替代人工作业。课题组根据汽车塑料内饰件的特性，将工业机器人的打磨路径分解成若干段直线路径和曲线路径，利用课题组设计的空间直线插补与空间曲线插补相结合的插补算法，通过MATLAB平台及Robotic Toolbox工具箱进行路径插补运算和仿真。结果表明：工作站打磨运动耗时约为79 s，与人工打磨耗时约120 s相比，打磨效率提升约34%。课题组设计的插补算法能够显著地提高打磨作业效率。     

臂式掘进机新型振动截割机构的系统动力学分析

提出了臂式掘进机的一种新型振动截割机构，介绍了该机构的工作原理，利用Lagrange方程建立了该机构的系统动力学数学模型，并采用四阶龙格-库塔法进行数值求解。通过对该机构的动力学分析，得出了截割头的转速及其中心轮输入扭矩的运动关系式，为分析振动截割机构的运动特性及设计振动截割机构提供了理论依据。     

基于坐标变换法的3关节机械臂运动学研究

针对当前在串联机器人运动学分析中使用的D H参数法存在观察抽象、坐标系转换不灵活、参数容易混乱、理论模型与实体模型出入大等缺点，课题组采用坐标变换法对3关节机械臂进行运动学研究。依据关节之间的相对位置关系建立坐标系，采用齐次变换矩阵对坐标系之间的关系进行描述，并建立运动学方程；采用D H参数法建立机械臂的运动学模型，在MATLAB的Robotics Toolbox中验证了坐标变换法的正确性；编写上位机软件实现了机械臂样机的实时控制。结果表明：坐标变换法具有灵活方便、形象直观、便于计算的优点。该方法弥补了传统D H法在分析平行关节时的缺陷。     

六自由度机械臂的建模与MATLAB仿真

针对六轴机械臂的运动特性,使用D-H法创建各关节坐标系,求得其参数,并推导出正逆运动学方程.使用MATALB Robotics工具箱创建该机械臂的仿真模型,对其正逆运动、轨迹规划进行仿真.通过仿真,在关节空间规划下,求得机械臂模型运动过程中各关节参数随时间变化的关系图.在笛卡儿空间规划下,得到了机械臂末端的直线运动轨迹.通过对比理论数据和仿真结果,验证机械臂模型建立的正确性及正逆运动公式的准确性.     

立面三维可越障清洁机器人系统

针对目前立面清洁机器人壁面吸附能力与越障能力不足的缺点，课题组设计了一种基于4旋翼无人机技术的立面三维可越障清洁机器人机械系统。针对外墙清洁机器人的运动策略及越障策略，采用旋翼吸附的原理，设计了机器人系统结构及机器人本体结构组成；采用无人机技术和升降系统的设计，实现了机器人本体6自由度方向的运动能力；采用无人机技术和履带式行星轮，实现了机器人的越障功能。进行了样机实验，结果表明该机器人具备运动与越障的可行性和平稳性。     

新型六自由度铆孔机器人刚度特性研究

针对高端制造业对大型、薄壁及复杂曲面工件的精密、高效和柔性加工的需求，课题组设计了一种基于6 SPU并联机构的 新型步行式铆孔机器人。首先，建立了机构的位置逆解的数学模型；然后，通过螺旋理论推导出机构的雅可比矩阵，同时考虑支链的刚度系数，建立了机构的全 刚度矩阵及刚度模型；最后，对机构在静载荷作用下动平台变形进行了分析，同时分析了机构的刚度特性分布及相关参数对其的影响，并和有限元仿真结果进行 对比，验证了刚度模型的合理性。该研究为自动铆接机器人的结构优化及性能分析提供了参考依据。     

臂式掘进机振动截割机构带载时的动力学分析

建立了臂式掘进机新型振动截割机构带载时的力学模型，利用Lagrange方程建立了该机构带载时的运动微分方程组，并根据实际工况对运动微分方程组进行了简化。通过对该机构的动力学分析，得出了截割头带载时的转速及其输出扭矩的运动关系式，比较了截割头带载和空载时运动规律的异同，为进一步分析振动截割机构的运动特性及设计振动截割机构提供了理论依据。     

HP20机器人的运动学逆解计算及模拟仿真

根据Motoman HP20型机器人的结构特点,利用DH方法建立了其运动学方程,并推导出了运动学逆解。将所求得的运动学逆解编写成Matlab程序,计算了末端执行器在正弦曲线轨迹下各个关节角度变化曲线。建立HP20型机器人的多体动力学虚拟样机,将曲线导入驱动虚拟样机,得到模型的运动轨迹。通过对比,目标曲线与运动轨迹吻合良好,验证了运动学逆解及程序的正确性。研究结果为研究在特定工况下,机械臂的运动学、动力学及电机扭矩特性打下了基础。     

可变形履带式机器人行走机构设计及运动仿真

针对移动机器人在非结构化地形环境中负载能力低、运动稳定性较差的问题,设计了一种可变形履带式机器人行走机构。该机器人采用4节履带构型,有效地增加了与地面的接触面积,从而提高了其运动稳定性。将椭圆形成原理应用于履带张紧机构的设计当中,采用双椭圆摆臂回转机构,设计可变形履带机器人模型。为了描绘机器人的越障性能,从运动学的角度分析了机器人在爬越台阶和跨越沟壑2种典型障碍的运动过程,并得出相应的越障极限参数。利用Adams建立仿真模型,对机器人的虚拟样机进行了动力学分析。仿真分析表明机器人能够翻越200 mm高的台阶和300 mm宽的障碍,并得出驱动机器人运动的力矩曲线图。本研究为后续改进及优化研究提供了参考。