本文档属于类型a，即报告了一项原创研究。以下是针对该研究的学术报告：
研究作者及机构
本研究由Sajedeh Taheri、Aghil Yousefi-Koma和Faezeh Yazdani共同完成，他们均来自伊朗德黑兰大学机械工程学院的高级系统与技术中心（Center of Advanced Systems and Technologies, CAST）。该研究发表在2023年12月19日至21日于伊朗德黑兰举行的第11届RSI国际机器人与机电一体化会议（ICRoM 2023）的会议论文集中。
学术背景
本研究的主要科学领域是机器人学，特别是人形机器人手腕机构的设计与分析。随着人形机器人在日常生活中的应用逐渐增多，手腕设计成为了一个重要的研究课题。手腕机构需要具备轻量化、紧凑性、高刚度以及无奇异点（singularity-free）等特性，以确保机器人能够高效地执行复杂的操作任务。本研究的目标是设计一种基于生物手腕结构的2RSS-1U并联机构，用于人形机器人手腕，并通过优化设计变量来实现无奇异点的工作空间。
研究流程
1. 机械设计
本研究首先提出了2RSS-1U并联机构的设计方案，该方案受到生物手腕结构的启发。设计过程中，研究人员通过优化问题定义了机构的设计变量，以确保在工作空间内奇异点最少。机构的机械设计包括结构和驱动部分，采用了铝和钢材料，以实现轻量化和低成本。伺服电机通过万向节（universal joint）和球关节（spherical joints）驱动机构的运动。
优化设计变量时，研究人员使用了全局条件数（Global Condition Number, GCN）作为性能指标，通过最小化GCN来优化机构的运动性能。最终确定了各连杆的长度（a1=15 mm, a2=15 mm, b1=61.8 mm, b2=78.6 mm），使得机构在整个工作空间内的条件数接近1，从而减少了奇异点的出现。
运动学分析
研究对机构进行了运动学分析，包括逆运动学（Inverse Kinematics, IK）和正运动学（Forward Kinematics, FK）。逆运动学用于计算给定末端执行器（end-effector）位姿下的关节变量，而正运动学则用于从关节变量推导末端执行器的位姿。通过几何分析和向量环闭合方程，研究人员推导了机构的运动学模型，并采用差分方法解决了正运动学问题。
在运动学分析中，研究人员还开发了基于MATLAB和Simulink的仿真工具，用于验证机构的运动性能。通过反馈循环（feedback loop）技术，研究人员能够精确地计算末端执行器的位姿。
工作空间分析
为了评估机构的性能，研究进行了工作空间分析。通过MATLAB编程，研究人员模拟了机构在关节空间内的所有可能运动，并绘制了末端执行器在工具空间（tool space）内的可达边界。结果表明，机构在屈伸（Flexion/Extension, F/E）和桡尺偏转（Radial/Ulnar Deviation, R/U）方向上的运动范围分别为±35°和±30°，且在x、y、z方向上的位移范围分别为±50 mm、±55 mm和-100 mm至-80 mm。
奇异点分析
研究还对机构进行了奇异点分析，以确保机构在工作空间内无奇异点。通过计算雅可比矩阵（Jacobian matrix）的行列式，研究人员验证了机构在9261个网格点内的运动性能。结果表明，机构在整个工作空间内均未出现奇异点，从而保证了其高刚度和运动稳定性。
实验验证
最后，研究通过实验验证了机构的设计和性能。研究人员制造了机构的所有部件，并将其安装在SureNav机器人手臂上进行测试。实验结果表明，机构能够准确地实现末端执行器的各种位姿，且其运动性能与仿真结果一致。
主要结果
1. 机械设计优化：通过优化设计变量，研究人员实现了机构的高性能设计，确保了其在工作空间内无奇异点。
2. 运动学分析：推导了机构的逆运动学和正运动学模型，并通过仿真验证了其运动性能。
3. 工作空间分析：确定了机构在屈伸和桡尺偏转方向上的运动范围，并绘制了末端执行器的可达边界。
4. 奇异点分析：验证了机构在整个工作空间内无奇异点，确保了其高刚度和运动稳定性。
5. 实验验证：通过实验验证了机构的设计和性能，表明其能够准确地实现末端执行器的各种位姿。
结论
本研究提出了一种基于2RSS-1U并联机构的人形机器人手腕设计，该设计具有轻量化、紧凑性、高刚度以及无奇异点等优点。通过优化设计变量和运动学分析，研究人员确保了机构的高性能运动。实验验证表明，该机构能够准确地实现末端执行器的各种位姿，具有广泛的应用前景。该研究为人形机器人手腕设计提供了新的思路和方法，具有重要的科学价值和应用价值。
研究亮点
1. 新颖的机构设计：本研究提出的2RSS-1U并联机构基于生物手腕结构，具有轻量化和紧凑性等优点。
2. 优化设计方法：通过全局条件数优化设计变量，确保了机构在工作空间内无奇异点。
3. 全面的运动学分析：推导了机构的逆运动学和正运动学模型，并通过仿真和实验验证了其运动性能。
4. 无奇异点设计：通过奇异点分析，验证了机构在整个工作空间内无奇异点，确保了其高刚度和运动稳定性。
5. 实验验证：通过实验验证了机构的设计和性能，表明其能够准确地实现末端执行器的各种位姿。
其他有价值的内容
本研究还详细介绍了机构的机械设计和制造过程，包括材料选择、加工工艺和部件组装等。这些内容为后续研究提供了重要的参考和指导。