一种抓取果实的欠驱动手指机构设计与静力学分析

为了给类球形果实采摘机器人提供一种拟人手指的末端执行器,设计了一种欠驱动手指机构。通过设置指节限位块,并在中间传力机构两个转动副处添加不同刚度系数的扭簧,使欠驱动手指机构各指节在限位块约束的角度范围内依序转动,包络抓取物体时其构型稳定,并能保证各指节回程运动能回到手指机构的初始位置。同时,利用虚功原理建立了手指在包络抓取物体时各指节与物体之间的接触分力与总驱动力之间的静力学模型,通过ADAMS的动力学求解器对手指机构进行动力学计算。结果表明:设计的欠驱动手指机构包络抓取球形果实时运动确定,且能回到初始位置;ADAMS仿真结果和力学模型计算结果之间的3个接触分力误差分别为0.0 3 8、0.1 2 5 1、0.0 0 4 1 N,验证了静力学模型的正确性,可以为手指机构的柔性抓取控制提供参考。     

基于虚关节法的3T1R混联机构静刚度特性分析

基于虚关节法和构件有限元分析建立了考虑驱动副、滚珠丝杆副、线性导轨和运动杆件弹性变形的3T1R混联机构静刚度矩阵模型。通过在构件末端添加多自由度虚拟关节的方式来等效构件的弹性,将支链等效为一系列刚性构件,通过主动副、被动副以及虚拟关节连接的形式,给出了运动关节和虚拟关节变量对机构末端位姿的映射,应用虚功原理得到机构静平衡方程,推导了机构在一定外载下的刚度矩阵模型,采用无量纲变换法定义了局部线刚度和角刚度评价指标与全局线刚度和角刚度评价指标,据此分析了混联机构在典型位姿和工作空间域内的静刚度性能,并利用有限元仿真验证了刚度模型的准确性。结果表明,所建半解析刚度模型具有较高的精度;机构z向线刚度在工作空间内关于x=y轴线对称分布;机构x向、y向的线刚度沿x轴、y轴方向不变,具有解耦性;机构线刚度远大于角刚度。     

SCARA并联机构刚度和动力学分析

阐述了一种由2条RSS支链和2条R(SRS)2R支链构成,可实现SCARA运动的新型四自由度高速并联机器人机构。首先,采用方位特征理论（POC）分析了该机构的拓扑结构特征,用矢量法求解了位置反解;其次,运用虚拟弹簧法建立了支链的刚度模型,并求解了支链的静力学方程;再次,利用旋量法得到支链中虚拟关节变形到末端变形的微分映射,从而求得机构的笛卡尔刚度矩阵,根据机构的转动和移动刚度性能指标,分别分析了机构在不同工作平面的刚度特性。最后,推导了机构的主动臂、从动臂和动平台速度、加速度方程,并运用虚功原理建立了机构的动力学模型,通过ADAMS三维模型仿真验证了动力学模型的正确性,为该机构的进一步研究及实际应用奠定了理论基础。     

六面体可展机构自由度与运动特性分析

针对一种空间多环耦合六面体可展机构自由度分析问题,提出了选取动平台、建立等效串联分支、构建等效并联机构,进而基于并联机构自由度分析理论得到六面体机构自由度的分析方法。首先,选取多个构件组成的运动链整体作为动平台,基于螺旋理论建立动平台的所有运动等效串联分支;然后,减少动平台所含构件数,重新建立等效串联分支;最终将原机构等效为动平台仅由1个构件组成的传统并联机构。这样逐渐降低了原六面体机构的耦合度,从而降低了其自由度分析的难度。建立了六面体可展机构的仿真模型,通过施加不同的驱动对六面体机构的运动规律进行了分析,并讨论了该机构的折叠性能。本研究为此六面体机构的力学特性分析奠定了基础,提出的自由度分析方法为其他多面体可展机构自由度分析提供了思路。     

三平移全柔性并联微动机器人机构静力学分析

对新型非对称三平移并联机构{R∥R∥R∥P（4R）}∥{R∥R∥P（4R）∥R}⊥{R∥R∥R∥P（4R）}普通的转动关节全柔性化,形成非对称全柔性三平移微动并联机器人机构。利用“伪刚体模型”法,以普通的转动副加上等效的双向扭转弹性元件替代每个柔弹性关节,形成全柔性并联机器人机构的伪刚体等效模型。采用与“摩擦圆理论”分析法相似的力分析方法,分析了全柔性并联机器人机构的静力学问题,发现机构虽然具有优良运动解耦性,但其静力学性能较差。     

可调宽窄行水稻插秧机移箱机构设计与校核

主要阐述了一种新型高速可调宽窄行水稻插秧机移箱机构的设计与关键件强度校核工作。该机构的整体结构设计主要采用逆向工程的设计方法,参考现有成熟机型的外形构造和材料选择等,初步设计优化后,完成基本的设计任务。通过分析移箱机构中关键件滑块的运动过程,建立起等效的弹簧减冲击模型,经过一系列的计算得到滑块的最大载荷,再利用ansys/workbench有限元分析软件,对其进行静力学强度与疲劳强度分析,从而完成零件的强度校核工作。     

钢板弹簧柔性体建模及整车性能仿真

钢板弹簧是悬架中力学性能比较复杂的构件,既是弹性元件,又是传递纵向、侧向地面作用力的传力元件,因此建立钢板弹簧模型是构造车辆多体模型的一大难点。文章应用ADAMS软件建立基于等效中性面法的钢板弹簧柔性体模型,模拟实际的刚度测试法。利用ADAMS中改进的悬挂分析测定钢板弹簧子系统的总刚度,并将该子系统植入整车模型中,对整车的操纵性能进行仿真分析。结果表明:本文方法可以有效应用于整车性能的仿真研究。     

基于滑轮组和永磁弹簧的变刚度关节设计与控制

基于永磁弹簧、滑轮组和类行星轮系结构提出了一种新型的绳索驱动变刚度机器人肘关节。阐述了关节中应用的原理和样机整体结构设计。利用模型间静力学关系和雅可比矩阵推导得到关节的刚度模型,并给出了关节刚度随磁弹簧刚度和关节位置变化规律。以变刚度关节的动力学模型为基础,设计了变刚度肘关节的刚度与位置解耦控制器。通过变刚度关节的刚度和位置解耦验证实验,验证了解耦控制器的准确性。通过轨迹跟踪实验,给出了关节刚度变化对关节位置控制的影响规律。本文提出的绳驱变刚度肘关节具有更轻的质量与结构,较好的刚度变化性能与运动精度。     

具有耦合分支的两转动两移动并联机构分析与优化

提出了具有耦合分支的两转动两移动并联机构。基于李群理论分析了机构自由度,该机构动平台能输出两个转动运动和两个移动运动;采用闭环矢量法对机构进行了位置分析,求得位置反解;通过速度分析得到机构的雅可比矩阵,在雅可比矩阵基础上对机构的奇异位形进行了分析;采用虚功原理建立了机构的刚度模型,并进行了刚度性能分析;为消除内部奇异产生的刚度退化,在机构上增加了冗余驱动分支,并对添加冗余驱动分支前后机构的刚度、工作空间等性能进行了对比分析。以工作空间内刚度平均值为目标对冗余驱动机构进行了尺度优化设计,结果表明,优化后的冗余驱动机构的刚度性能得到明显提升。     

零耦合度部分运动解耦三平移并联机构刚度建模与分析

(RPa∥3R) 2R+RPa机构是基于方位特征(POC)方程并联机构拓扑综合理论的一种非对称并联机构,其耦合度为零,且具有部分运动解耦性。本文对该机构进行刚度建模和特性分析。首先,对该机构进行拓扑结构描述,基于虚拟弹簧法对机构支链进行刚度建模,给出支链的静力学方程,并求解机构的刚度矩阵;其次,给出机构在工作空间中的整体刚度分布,并分别对x、y、z轴方向的扭转、线性刚度进行分析;进一步对机构进行有限元分析,并与虚拟弹簧法所得的机构变形结果进行对比,验证刚度结果的正确性;最后,对比非对称的(RPa∥3R) 2R+RPa机构与对称Delta机构在不同截面下的刚度特性,结果表明,(RPa∥3R) 2R+RPa机构的刚度大于Delta机构。     

空间转动3-SPS-S并联机构运动学性能分析

提出了将空间三维转动3-SPS-S并联机构作为隧道管片安装机器人的微调机构,对该机构进行了运动学性能分析。在建立机构运动学模型,求解机构的位置逆解及其雅可比矩阵基础上,建立了局部刚度、局部灵活度和驱动性能3项性能评价指标。结合具体应用对该机构进行了运动性能评价。分析结果表明该机构具有良好的运动性能,能满足工程需要。     

3-RHUR/PUS+PP混联机器人构型与性能分析

为提升串并混联机器人大行程刚度与综合性能,提出一种带随动滑筒的3-RHUR/PUS三自由度并联头串联XY双导轨的混联五自由度机器人构型。根据非线性约束方程组给出其位置正反解,并基于螺旋理论建立了串并混联的正逆运动学映射关系,基于建立的混联机器人的柔度模型讨论了其方向刚度;综合考虑机器人的转动能力、力传递性能、速度和刚度性能,在利用线性加权法对机器人进行多目标优化的基础上,提出最优拉丁超立方采样（Optimal Latin hypercube sampling, OptLHS）与插值相结合的优化算法,从而缩短了优化计算所需时间,得到了机器人最优尺寸参数。     

五自由度混联机构圆弧插补算法研究

提出了一种由两自由度并联机构和三自由度串联机构构成的五自由度混联机构-2SPU+U+RRR。建立了该混联机构的三维模型并搭建了试验样机,通过分析将其等效为U+RRR串联机构。对等效后的U+RRR串联机构进行运动学正反解分析,并验证了正反解求解的正确性,同时对两自由度并联机构进行了运动学反解计算,为机构控制奠定了理论基础。针对传统空间圆弧插补算法计算的复杂性,提出了一种基于等弧度数据采样的新型空间圆弧插补算法,简化了插补算法的计算量。通过Matlab仿真和样机实验,验证了上述插补算法的正确性。     

2UPR-RPU过约束并联机构刚度性能评价

运用螺旋理论和应变能方法研究了具有2R1T三自由度的2UPR-RPU过约束并联机构的静弹性刚度性能,模型考虑了杆件和关节的柔度。首先,基于螺旋理论得到分支的约束螺旋系;其次,基于材料力学得到分支中杆件的应变能,通过映射分支约束螺旋系到铰空间得到关节的应变能,通过汇总杆件、关节的应变能和卡氏定理得到与约束螺旋系对应的分支紧凑刚度矩阵;最后,通过虚功原理得到机构的总体刚度矩阵。采用有限元商业软件建立了有限元模型,并与理论模型进行对比,验证了理论模型的正确性。定义弹性元件存储的应变能与总应变能之比作为应变能因子指标,给出了应变能因子指标在规则工作空间的四维切片分布图,从应变能的角度定量评价了各弹性元件对机构刚度性能的影响程度,给出了不同载荷作用下的全局应变能因子指标。本研究为定位对机构刚度性能影响最大的弹性元件提供了新的思路。     

切削加工机器人刚度模型研究

通过对机器人臂杆的分析研究,把机器人臂杆当作一个柔性杆进行处理,分别求出其拉伸、扭转和弯曲的挠度,运用误差参数建立运动学模型,从而求得臂杆末端挠度的映射模型,并结合机器人各关节传动误差在机器人操作末端上的挠度误差映射,最终在机器人操作末端叠加关节挠度和臂杆挠度,通过刚度的定义求解出机器人总的操作空间刚度。建立的机器人刚度模型可为机器人切削加工过程中刀具的误差补偿提供依据。     

仿生变刚度关节设计与试验

变刚度关节是一种具有本质柔顺性的机器人机构,能够提高机器人与人交互作用时的安全性。本文设计了一种采用弹簧片的机械式仿生变刚度关节,利用差动轮系实现关节位置与刚度的独立控制。基于弹簧片大挠度变形,在关节中采用的2种弹簧片末端施力结构对刚度特性的影响进行分析,仿真结果表明,末端施力结构对偏转时的刚度变化有较大影响。对变刚度关节样机的刚度性能进行试验,试验结果与仿真结果一致,表明该关节具有较大的刚度变化范围,并且2种末端施力结构可以分别满足持续高刚度和碰撞安全性的应用要求。     

分流式柔性铰六维力传感器刚度分析与结构优化

针对目前已有六维力传感器的不足,基于并联机构设计了一种分流式柔性铰六维力传感器。阐述了传感器的结构,通过等效法和微元法建立了其静力和刚度模型,对刚度模型进行了有限元仿真验证。基于遗传算法进行了结构优化设计,得到了传感器各向同性最优时的结构参数。最后对传感器进行标定实验。实验结果验证了静力模型的有效性,得到了传感器测量精度。传感器测量误差在1. 05%以内,能够精确测量未知外载的六维分量。     

3-PUS-PU柔顺并联机构运动学分析与优化设计

提出一种具有高精度、高刚度的3-PUS-PU柔顺并联机构,并对该机构进行运动学分析及优化设计。根据柔性铰链结构与机构间几何关系,对3-PUS-PU柔顺并联机构的运动原理进行阐述,并分析了该机构运动特性。采用空间闭环矢量法建立机构的运动学模型,对机构的输入-输出关系和速度特性进行了分析。基于力学理论,通过求解柔性铰链的极限转角,对机构的工作空间进行分析。根据机构的工作要求,提出定位精度指标和紧凑性指标,并进一步分析机构几何尺寸参数对其性能指标的影响。基于提出的性能指标,采用粒子群优化算法对机构的结构尺寸参数进行优化设计。结果表明,相比优化前,优化后的柔顺并联机构的定位精度提高25%,紧凑性提高81%,机构整体运动性能有了较大的提升,为后续样机研制提供了参考依据。