题目：球面变胞铰链的设计及其在桁架机器人中的应用研究

针对传统球铰链存在的“一个铰链只能同时连接两个杆件进行运动”的固有缺陷，提出了一种新型球面变胞铰链的设计方案，该铰链是被动关节，且可以实现主动控制。其主要组成部分是一偏置平行四边形机构与一对组合门铰。这种铰链可以同时连接多个杆件，并使这些杆件作球面运动，从而增大了旋转中心附近的关节空间，有利于作业任务的完成。在对这种铰链的结构设计进行了详细的阐述以后，应用图论、邻接矩阵等传统的变胞机构的分析方法，对由该铰链组成的球面六杆变胞机构进行了自由度分析与构态分析。由于平行四边形机构自身就是边界构态变化变胞机构，这种机构只有在边界状态时才出现构态的变化，每一次构态变化，均是由于杆件之间达到物理约束的极限位置时，出现了杆件干涉，本文详细分析了出现构态变化的三种情况，分别是最小角度限制，最大角度限制，最小两面角限制。基于该球面变胞铰链，完成了该铰链的三维Pro/E建模，并在虚拟样机ADAMS中分析了该铰链的运动，证明该铰链可以实现杆件的球面运动。完成了球面三杆变胞机构在平面展开下的静力学分析，并且给出了每个枢轴受力随中心角度 变化关系，为以后样机材料的初步选择提供依据。将球面变胞铰链应用于七自由度桁架机器人，推导了该铰链在桁架机器人节点处的约束方程。在建立机器人D-H坐标系的基础上，将驱动杆件长度的变化转化为中间变量角度的变化，并采用Matlab最新开发的机器人工具箱Robot Toolbox完成了机器人的建模，经过变换矩阵的求解对机器人进行了正向运动学分析；对运动学反解的计算，采用梯度投影法，完成了机器人末端走直线轨迹，得到了避关节超限的一组优化解，并将Matlab中的计算结果导入到ADAMS 进行分析仿真，仿真结果表明在机器人跟踪直线轨迹的过程中，姿态误差与位置误差均在 以下，从而验证该运动学正解、逆解算法的正确性与该铰链模型简化的可行性。并简单介绍了应用Matlab机器人工具箱开发的七自由度桁架机器人分析仿真系统。应用蒙特卡洛方法(Monte Carlo Method)对七自由度桁架机器人可达工作空间进行了分析仿真。为以后确定机器人的结构尺寸、回避障碍物的动作规划等提供依据。最后完成球面变胞铰链的样机制作。