旋量理论

摘要： 提综臂是多臂机上实现凸轮开口运动的关键核心部件。为满足多臂机提综臂的自动化加工需求,设计了一种新型辅助旋铆并联机器人,以实现在提综臂旋铆加工过程中对零部件的高速、高精度抓取和摆放,显著提升生产效率和保证加工质量。首先,介绍了新型辅助旋铆并联机器人机构的拓扑结构特征,并结合旋量理论及修正的G-K(Grübler-Kutzbach)公式分析了其自由度类型及数量。然后,构建了该机器人机构的位置闭环矢量方程,推导了其位置正、逆解的解析表达式,进而通过求导法建立了速度和加速度映射模型。接着,为有效评价机器人机构的运动传递性能,基于运动雅可比矩阵条件数的全域均值及波动量,定义了全域综合性能指标;同时,结合虎克铰的空间结构特点,全面考虑杆件干涉以及机构的传动性能和结构紧凑性,综合得到各类转角和杆长的约束条件,进而建立了该机器人的尺度综合模型。在此基础上,借助粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法进行优化求解,得到了机器人的最优尺度参数,并据此建立了机器人的三维虚拟样机模型。最后,针对多臂机提综臂辅助旋铆作业的工程需求,借助多体仿真软件开展机器人虚拟仿真验证。结果表明,优化后的辅助旋铆并联机器人的综合性能优异,满足工程应用需求。研究结果为多臂机提综臂的自动化加工提供了一种有效的解决方案,并为辅助旋铆机器人的实体样机制造及实验研究奠定了理论基础。

摘要： 以三轴立式加工中心为研究对象,提出一种基于指数积(Product of exponential,POE)旋量理论的几何误差综合建模方法。首先根据误差和旋量的几何定义建立3个旋量来表示各个轴的6项基本几何误差元素,综合3个旋量建立各个轴的误差POE模型;其次在POE建模时考虑垂直度误差,根据垂直度误差的几何属性提出获得垂直度误差POE模型的两种方法;此外根据机床拓扑结构确定旋量和相应指数矩阵的相乘次序,建立综合几何误差POE模型。最后在某三轴立式加工中心上进行建模实验,结果表明本文方法足够有效和精确,根据综合误差模型得到数控机床的误差场。

摘要： 为解决空中机器人与外界环境交互作业问题,设计了一种面向UAV的绳驱动空中机械臂系统,并研究了其系统建模方法。首先,设计了绳驱动空中机械臂的虚拟样机,详细地介绍了其机械结构、工作原理以及绳索解耦方式;其次,综合牛顿-欧拉法、拉格朗日法、旋量理论、空间算子代数理论4种方法推导出了整个系统的正反向运动学模型和正反向动力学模型;最后,通过仿真算例对绳驱动空中机械臂的性能进行了模拟评估。结果表明,所建立的绳驱动空中机械臂系统模型是合理有效的,能较为准确地反映系统的动态特性,所提出的综合建模方法对其它多刚体系统的建模具有一定的参考价值。

摘要： 为提高卧式加工中心整机加工精度,且针对卧式加工中心精度预测模型难以量化验证的问题,基于旋量理论建立了精度预测完备模型,在此基础上提出了一种新的精度预测模型量化验证方法。首先,以旋量理论为研究基础,并借助旋量指数积建立了某多自由度机器人末端运动学正解;其次,在分析了卧式加工中心几何误差的基础上,结合该机床运动链分析结果构建了卧式加工中心精度预测模型;进而借助"十二线法"完成了几何误差分离过程,并最终输出了机床精度预测结果云图;最后,基于ISO230-6的体对角线实验设计进行了精度预测模型量化验证。实验结果表明四条体对角线预测值与实验值符合程度较高,PPP、NPP、PNP、PPN预测与实际数据的平均偏差分别为-0.21μm、-1.06μm、-1.68μm、-0.05μm,有效验证了该卧式加工中心精度预测模型的正确性及合理性。

摘要： 为解决多足机器人控制系统复杂、加工装配困难的问题,设计了一种基于单自由度Jansen连杆机构的转盘式多足仿生机器人,并对其进行运动学分析和优化。首先,运用旋量理论对机器人的单条仿生机械腿进行自由度验证,并运用复数矢量法对仿生机械腿进行运动学求解,得到其足端运动轨迹方程及各关节的转动角度。然后,基于仿生机械腿足端的运动轨迹及其影响因素,分析了其优化方向。接着,提出了转盘式传动机构,并对仿生机械腿的转动关节和足端进行了优化,同时利用SolidWorks软件对转盘式多足仿生机器人的步态进行了时序分析。最后,制作了转盘式多足仿生机器人样机并分析了其在常规路况下的运动能力,验证了其可行性。结果表明,改变曲柄长度和机架水平倾角可优化多足仿生机器人的运动轨迹,使其更符合实际应用所需;转盘式传动机构与多条仿生机械腿的叠加,提升了机器人的环境适应性。研究结果为后续机器人系统的设计及工程应用提供了重要的理论依据。

摘要： 针对并联机构的强耦合性导致运动分析复杂化的问题,提出了一种包含部分解耦并联机构的新型6自由度混联拟人机械腿构型。首先,根据人体腿部的运动解剖特性,阐述了该混联机构的布局形式。其次,综合Paden-Kahan子问题与空间几何法,拓展了Paden-Kahan子问题在解决少自由度并联机构位置反解问题上的应用,求出了拟人机械腿的逆解方程;基于拟人机械腿机构的几何结构,采用代数法推导了位置正解的显示解析式。然后基于李代数se(3)的双线性对称形式(Klein型),推导出混联机械腿的运动学传递矩阵。最后通过数值算例验证了基于旋量理论建立的混联机械腿运动学模型的正确性,为该机构的进一步研究奠定了理论基础。

摘要： 以某立式加工中心为研究载体,提出一种空间精度补偿技术。以旋量理论为基础,在充分考虑机床切削点空间位置的基础上,建立包含全部几何误差的立式加工中心空间精度模型,同时输出空间精度显示预测模型。针对传统空间精度补偿不充分的局限性,将空间精度补偿思路转换为NC代码最优化问题,基于遗传算法求解该最优化问题,通过实验验证优化结果的有效性。结果表明:基于旋量理论的机床空间精度建模包含21项几何误差,空间精度预测结果较为准确;基于NC代码最优化的空间精度补偿技术使得机床空间定位精度最大补偿率为90.94%,验证了所提方法的有效性。

摘要： 针对未来在轨服务过程中,可能遇到单个空间机器人难以独立胜任的应用场景,需要多个空间机器人协同操作,但目前针对多空间机器人协同工作空间的研究很少。考虑到解析法计算工作空间难度很大,提出了一种基于蒙特卡洛法的一般协同工作空间数值求解方法。再进一步针对空间机器人协同的特殊性,提出了广义协同工作空间的概念,并给出了数值求解方法。仿真结果表明,基座姿态约束会引起协同工作空间的缩小,同时广义协同工作空间的范围明显大于一般协同工作空间。所得结论可以为空间机器人任务设计与规划提供参考。

摘要： 针对具有相互平行的3个相邻关节轴的康复机械手逆运动学求解问题,提出一种旋量法与代数法相结合的逆运动学求解算法。首先,采用旋量法建立康复机械手的正运动学方程。其次,利用指数积与欧拉角理论求解第1关节角度,使用Paden-Kahan第1、3类子问题求解第2、3、4关节角度。最后,提出两种抓握手势作为算法正确性验证的评价指标,通过MATLAB计算出关节角度实际解,使用Robotics Toolbox处理结果得到各手指的末端位姿,其结果验证了算法的正确性,为康复机械手的运动控制和结构设计提供理论基础。

摘要： 设计了一种结构稳定、易于控制的外肢体机器人。根据外肢体机器人空间运动学和动力学特点,基于旋量理论建立了外肢体机器人运动学和动力学方程,并通过外肢体机器人特定场景下的运动仿真,获取了外肢体机器人的运动学、动力学参数曲线;进而基于动力学模型设计了模糊自适应补偿控制器,实现对动力学方程中摩擦参数的精确逼近,从而通过前馈补偿,实现对机器人关节运动轨迹的高精度跟踪。

摘要： 本文首先阐述旋量理论及其相关代数与几何方法的两百多年的发展历史,而后结合两部专著,回顾作者24年旅英学术研究历程,讲述作者对旋量代数、有限位移旋量、旋量与李群李代数关联、旋量系理论等理论问题的研究.本文接着讲述两本新著的创作起源,客观地记述新著写作的部分细节与整个过程.由此总结出著述的四个阶段,引出同行评述,并概括性地介绍两本新著的主要内容与特色.

摘要： 在装配约束关系设计中需要保证装配特征之间的约束为完全约束或准确约束，这也是保证产品主要功能正常发挥的重要基础之一。如何用确切的数学模型描述装配特征之间的机械约束成为其中的一个关键问题。本文采用基于旋量理论的方法对装配特征之间的运动学约束状态进行分析。首先，给出了建立零件特征的局部坐标系的方法，并给出了简单装配特征的旋量表示；然后，建立了实现装配特征运动学分析和约束分析的MATLAB算法；最后，详细地分析了两个典型实例。分析表明旋量方法为装配特征之间运动学分析和约束分析提供了统一的数学工具，有利于在计算机中实现装配特征关系设计中机械约束设计和分析。

摘要： 刚度在柔性机构中占有重要地位,尤其能够反映出柔性机构作为真实机构的特性.本项目旨在研究基于真实物理柔性单元的柔性机构刚度设计方法,作为对现有柔性机构创新设计方法的有益补充.为此将旋量理论作为基本数学工具,以具有可视性的图谱为表达手段,在已有构型综合的研究基础上,通过建立刚度与自由度、精度之间的有效映射,将刚度综合问题转化为构型及尺度的统一综合问题;再结合弹性平均、准运动学设计等现代设计概念,探索一种适合柔性机构的近似刚度设计方法.最后,通过一种以面向纳米定位为应用背景的新型柔性机构样机的研发和性能测试,验证理论成果.本项目研究成果对丰富和完善柔性机构学理论,指导柔性机构的创新设计及工程应用具有积极意义.

摘要： 针对空间大型天线较高的指向和定位精度要求,研究作为大型天线展开与支撑关键装置的展开臂的精度.为保证展开臂具有良好的指向与定位精度,以展开臂零部件加工、装配误差为主要误差输入源,利用旋量方法建立展开臂的分析模型并计算展开臂的展开精度.利用有限元方法分析了热变形对展开精度的影响.通过理论计算确定了影响展开臂精度的几个主要影响因素,验证了展开臂的精度性能良好.研究结果对高精度展开臂的设计与制造具有一定的指导和参考意义.

摘要： 针对空间大型天线较高的指向和定位精度要求,研究作为大型天线展开与支撑关键装置的展开臂的精度.为保证展开臂具有良好的指向与定位精度,以展开臂零部件加工、装配误差为主要误差输入源,利用旋量方法建立展开臂的分析模型并计算展开臂的展开精度.利用有限元方法分析了热变形对展开精度的影响.通过理论计算确定了影响展开臂精度的几个主要影响因素,验证了展开臂的精度性能良好.研究结果对高精度展开臂的设计与制造具有一定的指导和参考意义.

摘要： 针对空间大型天线较高的指向和定位精度要求,研究作为大型天线展开与支撑关键装置的展开臂的精度.为保证展开臂具有良好的指向与定位精度,以展开臂零部件加工、装配误差为主要误差输入源,利用旋量方法建立展开臂的分析模型并计算展开臂的展开精度.利用有限元方法分析了热变形对展开精度的影响.通过理论计算确定了影响展开臂精度的几个主要影响因素,验证了展开臂的精度性能良好.研究结果对高精度展开臂的设计与制造具有一定的指导和参考意义.

摘要： 针对空间大型天线较高的指向和定位精度要求,研究作为大型天线展开与支撑关键装置的展开臂的精度.为保证展开臂具有良好的指向与定位精度,以展开臂零部件加工、装配误差为主要误差输入源,利用旋量方法建立展开臂的分析模型并计算展开臂的展开精度.利用有限元方法分析了热变形对展开精度的影响.通过理论计算确定了影响展开臂精度的几个主要影响因素,验证了展开臂的精度性能良好.研究结果对高精度展开臂的设计与制造具有一定的指导和参考意义.

摘要： 柔性空间变胞机构融合了当前机构学研究前沿中的两大理论,即柔性空间机构学与空间变形组合机构的理论.其具有自由度与结构变化以及自动组合重构的特点,在航天器结构与变形机器人中有着独特的应用.对这一基础问题进行研究具有十分重要的学术研究和实际应用价值.

摘要： 柔性空间变胞机构融合了当前机构学研究前沿中的两大理论,即柔性空间机构学与空间变形组合机构的理论.其具有自由度与结构变化以及自动组合重构的特点,在航天器结构与变形机器人中有着独特的应用.对这一基础问题进行研究具有十分重要的学术研究和实际应用价值.

摘要： 柔性空间变胞机构融合了当前机构学研究前沿中的两大理论,即柔性空间机构学与空间变形组合机构的理论.其具有自由度与结构变化以及自动组合重构的特点,在航天器结构与变形机器人中有着独特的应用.对这一基础问题进行研究具有十分重要的学术研究和实际应用价值.

摘要： 本发明公开了一种基于旋量理论的6R机器人逆运动学几何求解方法，属于机器人运动学逆解方法研究领域。建立基坐标系与工具坐标系，通过基坐标系与工具坐标系确定6R机器人运动学参数，并建立正运动学模型。将6R机器人的前三个关节的逆解运动分解描述并建立六元二次方程组。基于旋量正运动学模型求解初始位置qs1对应的目标位置qe1。该方法将几何描述与旋量理论结合，几何意义更加明确，通过简化逆解算法为代数方程组求解，有效提升了计算效率，能够为机器人运动实时控制提供一种新的逆解处理方法。

摘要： 本发明公开了一种数控机床的几何误差旋量理论建模方法，包括：步骤一、对数控机床运动链分别在床身任一点建立全局坐标系R、在运动链末端参考点建立瞬时参考坐标系R′、在各个运动副上建立连体坐标系R

摘要： 本发明提供一种机床空间误差建模及在误差模型基础上的全局变量敏感度分析方法，建模方法主要依据旋量理论的指数矩阵形式，旋量理论的指数矩阵形式可以用于机床空间误差的整合，依据机床的拓扑结构，建立起机床整体的空间误差模型；对误差模型的高次项削减，得到误差模型的基本方程。Morris法能在全局范围内研究模型参数，根据基本元素，以较小的计算代价便得参数全局灵敏度的比较及参数相关性和非线性的定性描述。本发明依据Morris法并进行相应改进，对基本方程进行分析，应用全局误差变量敏感度分析方法，对方程的基本元素进行分析。甄别出对于空间误差加工结果，及全局误差项影响较大的误差项，并根据分析结果对机床提出合理的修改建议。

摘要： 本发明公开了一种基于旋量理论的机器人无冗余几何误差模型解析建模方法，包括：步骤一、建立串联支链全参数几何误差模型；步骤二、建立并联运动链全参数几何误差模型；步骤三、删减并联运动链中冗余几何误差参数，求解并联运动链最大可辨识几何误差参数的数目。本发明方法不仅适用并联构型机器人几何误差建模，同样适用于串并混联构型机器人几何误差建模，而且适用于任意构型机器人几何误差建模。本发明所建立的模型既无冗余误差参数，又可显式获取各类型机器人运动链中所有具有明确物理意义的相互独立的几何误差参数，还可同时指导机器人的精度设计和运动学标定工作。

摘要： 基于旋量理论的手术机器人约束运动控制方法，所述基于旋量理论的手术机器人约束运动控制方法包括：S1，RCM点标定；S2，虚拟RCM点与切口孔对准；S3，生成RCM约束；S4，控制末端执行器运动。其中，步骤S1包括：子流程S11：双目相机和机器人基坐标位姿的确定；S12；工具轴线在末端执行器坐标中的确定；S13：定义RCM点在轴线上的位置确定，采用双目相机、视觉辅助标记物和视觉探针对虚拟RCM点在工具轴上的位置进行标定。

摘要： 本发明公开了一种基于旋量理论的机器人攀爬运动速度建模方法，包括：S1、建立机器人的惯性坐标系和工具坐标系；S2、根据旋量理论分别在惯性坐标系和工具坐标系中确定机器人各个关节运动过程中的运动旋量；S3、建立机器人攀爬运动的关节角度控制函数；S4、根据所述关节角度控制函数和运动旋量建立机器人末端执行器的速度模型。本发明通过旋量理论，建立蛇形机器人的速度模型，避免了传统D‑H方法建模建立坐标系过程复杂的问题，且整个建模过程建模步骤明确、简单明了，各变量都具有突出的几何意义，含义明显。

摘要： 本发明公开了一种基于旋量理论控制的上肢多关节等速训练方法，涉及机器人控制及医疗康复器械领域，包括以下步骤：步骤1、基于旋量理论获取多关节等速训练装置的关节的参数及运动旋量坐标；步骤2、基于所述运动旋量坐标获取各所述关节之间的旋量坐标变换关系；步骤3、基于指数积方法获取各所述关节之间的速度关系；步骤4、通过旋量等速或末端等速，获取各所述关节的等速训练控制参数。通过所述方法，本发明简化了现有多关节等速控制系统的运动学和动力学分析，避免了反解时的奇异解，使得多关节训练的上肢等速训练控制简单有效。

摘要： 本发明公开了一种多关节助老助残轮椅机械臂及其基于旋量理论的运动学建模方法，属于机器人运动学分析方法的研究领域。本发明通过旋量理论的指数矩阵形式进行轮椅机械臂的运动学建模，首先建立初始位姿的基坐标系与工具坐标系，然后由基坐标系与工具坐标系确定轮椅机械臂运动学参数，并完成正运动学模型的建立。再根据轮椅机械臂的结构形式和各关节的运动方式，将轮椅机械臂看作平面两杆机器人的逆运动学形式来实现对机械臂关节运动量的求解，最终完成逆运动学求解分析。本发明通过将几何描述与旋量理论结合的方式，实现了运动学求解算法简化为代数方程组求解的过程，为轮椅机械臂的实时运动控制提供了一种新的更加便捷的建模求解方法。

摘要： 本发明公开了一种基于旋量理论和凯恩方法的蛇形机器人动力学分析方法，所述方法结合旋量理论与凯恩方法定义了蛇形机器人的主动力旋量、惯性力旋量、偏速度旋量、广义主动力以及广义惯性力等参数，然后根据对蛇形机器人的实验观测来求解出其对应的相关参数，建立动力学模型从而给出了蛇形机器人的动力学分析方法。具体步骤是结合旋量理论定义凯恩方程，测量并近似蛇形机器人各关节质量、长度、底面半径，然后根据实验观测与理论公式推导凯恩方程所需的各个量并建立凯恩动力学方程。本发明采用的方法将旋量理论与凯恩方法结合起来，不仅能有效提高计算速度与计算效率，也改善了蛇形机器人的动力学模型，使其简洁美观。

摘要： 本发明公开了一种基于旋量理论的6R机器人逆运动学几何求解方法，属于机器人运动学逆解方法研究领域。建立基坐标系与工具坐标系，通过基坐标系与工具坐标系确定6R机器人运动学参数，并建立正运动学模型。将6R机器人的前三个关节的逆解运动分解描述并建立六元二次方程组。基于旋量正运动学模型求解初始位置qs1对应的目标位置qe1。该方法将几何描述与旋量理论结合，几何意义更加明确，通过简化逆解算法为代数方程组求解，有效提升了计算效率，能够为机器人运动实时控制提供一种新的逆解处理方法。