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。     

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。     

基于空间闭链连杆机构的可折展手爪设计

为了解决多关节手指和手爪多为刚性连接而运动范围有限等问题，课题组基于单自由度面对称Bricard空间闭链连杆机构，提出了一种手指单关节驱动机构。将多个单关节驱动机构串联，组合为一个单自由度的多关节手指驱动机构；进一步，通过课题组提出的单自由度同步驱动副，可同步驱动手爪中的3根多关节手指同步开合、抓取目标物体；在进行可折展手爪的运动学分析和参数求解之后，完成了可折展手爪的样机实验。验证结果表明提出的可折展手爪驱动机构设计合理、抓取性能可靠。     

折纸启发的空间可折展末端执行器设计

为解决多自由度可折展机构及折纸机器人等末端执行器的控制问题，课题组提出了一种外部链节间接控制刚性折纸机构的方法。该方法中的机构无需组装，降低了系统的复杂性，且单自由度驱动可使得刚性折纸机构可逆地折叠和展开。课题组将刚性折纸机构与单环闭链机构进行结合，提出了一种空间可折展末端执行器；该末端执行器采用3个固接Bricard机构为外部链节，只需要1个旋转驱动即可控制空间3自由度末端执行器的折展过程。课题组首先对外部链节进行了运动学分析，然后对外部链节进行驱动设计，最后对整个末端执行器进行仿真实验分析。结果表明在外部链节的控制下，能够实现单个驱动控制3个自由度末端执行器的同时收放，验证了理论分析的正确性。用外部链节控制刚性折纸机构的方法只需要最小的驱动力可实现复杂的运动。     

单腿三维跳跃机器人动力学建模及控制

在三维环境中实现连续、稳定和准确地跳跃是单腿跳跃机器人的研究难点，课题组设计了一种质心可准确抵达三维空间中目标位置点的单腿跳跃机器人。基于弹簧加载倒立摆(SLIP)动力学模型，实现了对机器人起跳速度的控制，使可控连续跳跃成为可能；基于反作用轮倒立摆(RWP)动力学模型和角动量守恒定律，实现了在3个惯性尾辅助下的三维姿态实时控制；集成SLIP模型，RWP模型和课题组提出的落地后转向策略，设计了机器人质心可精确到达预期三维目标点的连续跳跃算法。仿真结果表明：该单腿跳跃机器人可实现在三维环境中的连续、稳定和准确跳跃，从而验证了课题组提出的三维跳跃动力学模型及其控制算法的可行性。     

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。     

XY-3-RPS混联机器人设计和运动学仿真

为实现人工骨关节表面抛光的自动化,课题组充分利用串并联机构之间的机构特性优势互补的特点,设计了一种XY 3 RPS混联人工骨关节抛光机器人,该混联机器人具有5个自由度。笔者搜索了并联机构和混联机构的工作空间;对比分析了基于正逆运动学的支链位置变化曲线;在并联机构欧拉角表示法及运动学理论的基础上建立了混联机构运动学数学模型,并利用MATLAB及ADAMS进行仿真验证。结果表明机构正逆运动学曲线吻合,运动稳定。该混联机构完全满足抛光人工骨关节表面的运动及工作范围要求。     

步行机器人缩放式腿机构参数的选择法

本文从机构传动性能的角度出发,对步行机(亦称步行机器人)缩放式腿机构与足的运动空间进行了分析,给出了当足的实用运动空间为最大时,机构参数的确定方法。     

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。     

基于RecurDyn的4旋翼摆臂式清洗机器人设计

针对爬壁机器人越障过程产生的控制复杂和过程运动不连续的问题,课题组通过引入柔性关节,在机器人本体上设计了摆臂越障机构及旋翼推力系统,并从运动学角度分析机器人攀爬障碍物时的运动机理,以及建立了机器人壁面攀爬的运动学模型,计算出机器人在不发生失效形式下,旋翼电机理论输出转矩,绘制了旋翼电机输出转矩和壁面角度变化的关系图,并利用RecurDyn软件对爬壁机器人越障过程进行运动学仿真,绘制出机器人重心高度的变化和时间关系图。结果表明：机器人旋翼推力机构的吸附性能良好,机器人能够平稳地在壁面完成爬行和越障。     

小剂量灌装机理瓶机构优化设计

针对目前小剂量灌装机的人工上料存在效率低下、安全卫生不达标等问题，课题组提出一种基于四杆机构的理瓶机构方案。运用解析法对理料机构进行了结构分析，针对四杆机构特性创建平面简图，采用解析法针对其运行过程中的运动学理论进行分析计算；采用ADAMS软件对目标机构进行建模与仿真分析，并以四杆机构曲柄、连杆、摇杆长度为设计变量，以压力角最小为目标，各杆件之间相互关系为约束条件，进行优化设计得到最优解，使压力角减少了19.6%。优化设计有效解决了原灌装机全自动理料效率低的问题，并通过ADAMS软件对目标机构的优化设计进一步提升了传动效率。     

连续型内窥镜机器人弯曲模型

为了求解内窥镜连续型机器人在驱动下的理论弯曲曲线，课题组建立了以机器人变形单元为对象的弯曲模型。该模型将连续型机器人的整体弯曲问题分解成各段固定丝的变形问题，并以此进行了机器人的正/逆运动学建模；然后依次对驱动丝、固定丝和单节蛇骨之间进行了力学分析，并基于Cosserat杆理论推导出固定丝的弯曲模型，求解出相邻蛇骨间的弯曲角度，得到了机器人的整体弯曲；最后通过MATLAB定点迭代的方式求解了机器人在不同驱动力下的弯曲状态，与16关节样机试验进行了对比。结果表明：误差率最大为6.7%，最小为2.9%，说明了该理论模型的有效性。此模型为内窥镜连续型机器人弯曲求解提供了一种有效的方法。     

仿人关节并串结构位姿求解算法研究

针对用于脑卒中患者上肢的康复训练，针对肩关节和肘关节运动的特点，课题组提出了一种6自由度仿人关节并串机构。该结构是由2种不同位姿并联机构进行并串组合而成，课题组利用Kutzbach Grüble公式对其进行了自由度的求解；采用解析法对该机构进行位姿分析研究，运用了球面三角形余弦定理来分析机构运动中弧形杆弧长不确定的情况；采用分部求解法把整体问题拆分成2个互有关联的部分进行求解。结果表明：与传统的对整体结构直接求解的方法相比，课题组采用的求解算法大大减小了求解的计算量。文中研究的方法适用于同类型位姿分离的并串组合，对其他同类型结构的位姿分析具有参考意义。     

对我国优秀男子跳远运动员起跳阶段摆动腿作用的研究

通过对2004年5月在河北石家庄举行的全国锦标赛暨奥运会选拔赛男子跳远决赛的前8名运动员起跳阶段摆动腿技术的力学分析,并与世界优秀跳远运动员起跳有关环节运动学参数的对比分析发现,由于起跳阶段摆动腿技术和蹬伸阶段摆动腿的摆动制动肌群的力量以及伸髋肌群的力量不足,导致起跳过程中摆动腿角速度较小,从而直接影响到腾起初速度和腾起角,最终影响了跳远成绩。     

背越式跳高起跳时摆动腿的摆动方向初探

通过查阅有关文献资料，结合教学实践对背越式跳高起跳时摆动腿技术的有关问题进行分析对比，认为向“异侧肩”方向摆动的摆腿技术存在着许多弊端；在摆动腿一侧向前上方向摆动的摆腿技术是背越式跳高起跳时较为合理的摆动腿技术．     

基于驱动轮同步转向机构的全向移动机器人

针对现有轮式全向移动机器人在工程实际应用中存在的同步转向能力差的问题，基于全向移动的轮式机构，设计了一种全向轮同步转向机构，以实现一个步进电机控制4个驱动轮同步转向。分析该转向机构的工作机理，并将该转向机构应用于全向移动机器人，在此基础上研制出一款主要应用于食品厂材料搬运工作的产品样机。通过对机器人进行运动学分析，得到了输入转速与机器人运动速度之间的关系，验证了该机器人的全向移动功能，降低了轮式全向移动机器人控制难度。研究实现了机器人高速度、高精度、高稳定性全向移动。     

3支链6自由度并联机构运动学研究

为了使并联机构在三维空间完成3个转动和3个移动的动作,可以进行全方位的运动,课题组提出了6自由度2PPRS RPRS并联机构。课题组描述了该并联机构的构型,建立了机构的运动坐标系;利用螺旋理论求解了机构自由度,并运用修正Kutzbach Grüble公式验证了自由度求解的正确性;根据支链与定、动平台间的相对姿态关系,推导了支链平面方程,并结合杆长不变条件,推导获得了该6自由度并联机构全部位置逆解的解析解;并基于三维边界搜索法,求解绘制出了机构的可达位置工作空间;最后,通过SolidWorks/Simmechanics的三维运动/参数可视化联合仿真,得到了机构的驱动位移相对时间的变化曲线。研究结果表明该机构构型设计、自由度分析正确,得出了该机构在三维空间内的运动学输入、输出的变化规律。     

并联式太阳跟踪机构设计与尺寸优化

为实现聚光光伏系统的高效跟踪作业，课题组提出了一种可用于太阳跟踪，且具有刚度高、解耦性好及结构简单特点的2 DOF U RRU RUS并联机构。首先，运用螺旋理论对并联机构的自由度进行了验证；其次，根据并联机构的几何约束条件构建了运动学逆解模型，并通过对速度雅克比矩阵进行分析可知该机构为解耦机构；然后，基于太阳方向角与机构欧拉角的映射关系，采用数值离散搜索法得到了并联机构的工作空间，并提出了一种工作空间评价指标；最后，基于聚光光伏系统对并联跟踪机构的性能要求，以机构的灵巧度和工作空间指标为尺寸优化的目标，采用遗传算法对主动杆、从动杆和动平台的尺寸进行多目标优化。结果表明优化后并联机构的灵巧度和工作空间都有所提升。虽然优化后并联机构的工作空间在高度角为0°~30°的区域并未完全覆盖太阳轨迹区域，但未覆盖的面积集中在一天中辐照度较低的区域。     

插齿机主传动机构的运动学仿真与优化设计

应用虚拟样机技术和机械系统动力学仿真分析软件ADAMS建立了两种插齿机（瓦特型六杆机构）主传动机构的模型，对两者进行了运动学仿真，以插齿刀在工作区间速度平稳性为目标，分别对两个模型进行了优化设计，阐明了ADAMS对插齿机主传动机构进行运动学仿真及优化的优点，并分析和比较了两种模型的性能特点．     

轮腿复合式底盘结构的仿真优化

针对目前下肢有障碍的人士出行困难、生活不便的问题,课题组以调整轮椅整体高度位姿与完成户外越障为目标,设计了 一种多功能轮椅的轮腿复合式底盘机构。通过运动学分析得出底盘机构水平状态下高度变换范围以及两个驱动推杆的耦合关系;对底盘机构中关键零部件进行静 力学分析,并对关键部件进行仿真优化,以保证底盘机构在调节高度中的整体稳定性。样机实验验证了轮腿复合式底盘机构可稳定有效地实现高度调整。该设计 可以调节身体重心与位姿,也可以满足室外越障的需求。