永磁变刚度机构柔性机器人力学特性研究

提出了一种柔性机器人用永磁变刚度机构。由于电动机转矩有限,在不用增加绳索拉力的情况下,通过该机构实现了柔性机器人关节更强的变刚度能力。该永磁变刚度机构主要由磁弹簧单元和滑轮绳索单元构成。通过虚位移法建立了弹簧磁力和绳索拉力解析模型,通过实验对永磁体间磁力和绳索上的拉力进行测量,测量结果和模型计算结果基本吻合。其结果表明,永磁体间磁力、绳索拉力和刚度随永磁体间气隙减小呈非线性增加,随永磁体长度和平均半径的增加而增加,保持三角形结构高不变,绳索拉力和刚度随着三角形结构底长的增加而增加,减小滑轮半径,可以进一步增加绳索刚度变化范围。     

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。     

基于磁通叠加原理的变刚度关节设计与特性研究

基于磁通叠加原理，提出了一种机器人变刚度关节，在减少了关节质量的同时增加了关节刚度的调整速度和运动范围。阐述了通过电信号直接调整永磁-电磁混合式变刚度装置中磁通量，实现刚度改变的工作原理，并以此原理设计关节整体机构。根据磁通连续性原理和虚位移法建立了关节刚度模型，并给出关节刚度随电流和关节位置的变化关系。以变刚度关节刚度模型为基础，设计了变刚度关节位置与刚度协调控制器，搭建了变刚度关节的原理样机。实验结果表明，基于磁通叠加原理的变刚度机器人关节可以实现关节刚度的快速调节，关节的位置和轨迹跟踪精度随着刚度的增加而增加，随着频率的增加而降低。     

永磁式涡流缓速器制动性能影响因素敏感性分析

在分析永磁式涡流缓速器制动力矩与结构参数关系的基础上,将均匀设计和回归分析方法引入到永磁式涡流缓速器制动性能影响因素敏感性分析中。以某型号的永磁式涡流缓速器为例,建立了制动力矩随转子鼓内半径、永磁体周向长度、气隙宽度、转子鼓轴向宽度和永磁体高度5个结构参数变化的回归模型,重点讨论了结构参数间交互作用以及各结构参数对制动力矩的影响程度,基于均匀试验设计和制动性能敏感性分析的结果,采用全排列法对结构参数进行了优化。     

数值法建立单向柔性铰链的刚度矩阵

以非对称3-RRC(RP)全柔性并联机构中的柔性铰链为例,介绍其结构型式并建立力学模型。利用二阶龙格-库塔法、4次拉格朗日插值和复化抛物形求积等方法得出了变截面柔性铰链单元所受外力与端部变形之间的关系。再由矩阵位移法建立其拉弯组合变形的刚度方程,借助等截面梁单元刚度矩阵的特点,最终求得柔性铰链刚度矩阵中各个元素的表达式,并用ANSYS软件进行了验证,具有一定准确性。     

永磁带轮式金属带传动原理及力学模型

永磁带轮式金属带传动是依靠安装在带轮上的稀土永磁体产生磁场以吸引金属带,并大幅度地提高金属带与磁力带轮间的摩擦力而传递运动和动力的,介绍了永磁带轮式金属带传动的结构及工作原理;建立了永磁带轮式金属带传动的力学模型;并对影响其传动特性的主要因素进行了分析.     

基于柔性驱动模块的机器人灵巧手设计与试验

现有仿人机器人灵巧手往往缺少柔顺性和灵活性,针对这一问题,提出一种基于柔性驱动模块的机器人灵巧手结构。手指采用绳和连杆的混合传动形式,并设计与人手相仿的整手结构;设计的柔性驱动模块采用弹性卷筒式结构,卷绕绳的空载线速度接近35 mm/s,最大输出拉力可达15 N,具有空载速度快、有负载时柔性加载的特点,且具有绳张力检测功能,利用ANSYS Workbench对弹性元件进行结构静刚度分析与参数优化设计;参考人手指生理耦合关系,对手指连杆耦合机构进行优化设计。样机试验表明,所设计的机器人灵巧手可实现与人相仿的手势,并能完成对不同形状和大小的物品的稳定抓握和指尖抓取。手指最短收缩时间仅0.6 s,具有较快的运动速度。     

基于力传递模型的连续体机器人驱动误差补偿研究

针对绳索传动系统中的非线性摩擦、驱动线伸长及关节间耦合效应导致的连续体机器人控制精度较低的问题,提出了一种考虑非线性摩擦的连续体机器人误差补偿方法。基于虚功原理构建包含关节间耦合作用的连续体机器人静力学模型,分析不同预紧力、不同包角等参数对绳-轮传动系统力传递效率的影响规律,并基于改进的Capstan方程建立包含绳索弯曲刚度及非线性摩擦的力传递模型,提出一种基于力传递模型的驱动误差补偿方法,通过运动实验对所建模型及控制方法进行验证。结果表明,补偿前后连续体机器人运动控制精度得到明显提高,平均位置误差由补偿前5.94 mm降低至补偿后3.15 mm,补偿率达46.97%。     

基于Cosserat理论的仿生鱼骨连续型机器人静力学分析

连续型机器人具有良好的灵活性、柔顺性和人机安全性等优点,受生物鱼骨结构启发,提出了结构紧凑、质量轻、灵活性高的仿生鱼骨连续型机器人。但多节垂直交叉的刚柔软耦合结构模式使仿生鱼骨连续型机器人静力学的精确建模难度增加。本文基于Cosserat理论考虑了驱动绳索和弹性骨干的耦合作用对该机器人进行静力学分析,建立了仿生鱼骨连续型骨干的Cosserat-rod模型和驱动绳索的Cosserat-string模型以及二者的耦合模型,预测了一节仿生鱼骨单元以及垂直交叉串联布置的两节仿生鱼骨单元的变形规律。理论与实验结果相比,理论值误差在1.5mm之内,为其长度的1.2%。本文为绳索驱动的刚柔软耦合连续型机器人的静力学建模提供了理论参考。     

考虑预紧力与接触摩擦的变刚度钢板弹簧刚度分析

在考虑各簧片间的接触摩擦情况下,利用Marc限元软件建立了变刚度钢板弹簧的自由状态有限元模型,对钢板弹簧的刚度进行了数值仿真,并与试验结果进行了对比分析。其中,钢板弹簧的二级刚度仿真计算值与试验值相对误差分别为4.85%和5.34%。利用Marc软件,建立了螺栓夹紧下的钢板弹簧总成模型,并对刚度进行了数值仿真计算。其中,钢板弹簧的二级夹紧刚度较自由刚度分别提高6.74%和4.96%。结果表明,利用Marc限元软件,可在考虑摩擦和预紧力情况下对变刚度弹簧进行仿真分析,为车辆悬架变刚度弹簧的设计提供了有效建模分析方法。     

一种变截面攀爬机器人夹持机构的设计分析

为攀爬锥形杆状建筑物设计了一款新型的爬杆机器人的夹持机构,采用双弹簧和气动推杆结构和柔性体贴合壁面的设计实现了夹持功能。研究了夹持机构受力情况,并且建立了柔性体的变形方程。采用动力学仿真软件ADAMS完成夹持过程仿真,分析了机器人在夹持过程中柔性体应变和等效应力变化情况。分析结果表明：夹持机构柔性体最大应变量为0.226,夹持机构能够贴合建筑壁面,达到适应杆径变化的效果。     

径向磁通永磁滑差机构的多目标优化

径向磁通永磁滑差机构磁扭矩的计算受永磁体本身的尺寸参数影响较大,同时还受永磁体布置参数的影响,是具有影响因素多、映射具有非线性的复杂系统。而滑差传动时又需要磁扭矩随相对转角(动磁筒与输出磁筒之间的相对转角)变化平稳。因此选择遗传算法作为多目标优化手段,根据各个参数的精度选择合适的长度进行二进制编码,选择了交叉概率为0.6,变异概率为0.05,利用MATLAB软件,进行多目标优化的编程计算,确定合理的永磁体尺寸参数和布置参数,确定永磁体的布置方式。对该机构今后在结构的简化、节省永磁材料,降低成本等方面有重大的意义,为永磁滑差机构进一步迈向应用作出了努力。     

Nested-LET柔性铰链设计与性能分析

针对平面折展机构中柔性铰链在承受拉压载荷时变形大、转动精度差等问题,基于外LET铰链和嵌套结构的方法,提出了一种Nested-LET柔性铰链。设计了该铰链的结构,利用等效弹簧模型推导了其弯曲及拉压等效刚度计算公式并给出了修正系数。通过设计实例的理论计算和仿真分析,验证了理论分析的正确性和设计的可行性。比较了相同尺寸的Nested-LET与外LET铰链的弯曲性能与抗拉性能,结果表明,Nested-LET铰链弯曲刚度增加了1.5倍,拉压刚度提升了30倍,且转动中心漂移量有所下降。最后,通过拉伸实验验证了分析的正确性。     

三平移刚柔混合并联机构优化设计与动力学分析

提出了一种三自由度绳驱动并联机构,其包含3组同组平行、异组交叉结构的绳系支链和1组被动弹性支链,具有轻质量、高加速度、大工作空间等特点。基于封闭矢量方法推导了机构运动学方程,并分析了机构可达工作空间和任务工作空间以及中间弹性支链对工作空间范围的影响;基于达朗贝尔原理推导了机构的平衡方程,利用边界搜索法、控制变量法建立了中间弹性支链的结构参数与绳索驱动力之间的关系,在保证机构满足高加速度及任务工作空间的条件下,以绳索的驱动力为优化目标对弹性支链结构参数进行优化,确定了合理的弹簧弹性系数和初始长度。采用拉格朗日方法建立了机构的动力学方程,并通过联合Matlab数值计算与ADAMS仿真验证了动力学方程的正确性。最后,基于优化结果设计了试验样机,并通过试验验证了机构运动学方程的正确性。     

固定结合面刚度分形模型

基于粗糙表面统计学参数与表面轮廓分形参数之间的关系,给出了结合面等效粗糙表面轮廓分形参数的计算方法;在此基础上,提出了结合面切向接触刚度的修正分形模型;为验证模型的正确有效性,将固定结合面等效为若干个法向和切向接触弹簧单元,其刚度通过相应的接触刚度模型进行计算,进而对文献[9]的结合面实验装置——哑铃模型进行了有限元建模及模态分析,间接证明了接触刚度的正确有效性,并探讨了等效接触弹簧单元的刚度、数量对有限元建模精度的影响.此外,对文献[8]的实验模型进行了有限元建模及谐响应分析,并对实验模型的实测、柔性连接仿真与刚性连接仿真频响曲线进行了对比,进一步证实了在仿真建模过程中考虑结合面接触刚度的必要性.     

Halbach阵列磁力联轴器传动转矩的数值计算

为提高磁力泵磁力联轴器的传动转矩,对Halbach阵列的特点和制造方法进行阐述,并分析了Halbach阵列的磁场分布情况及磁体的磁化规律.基于ANSYS求解磁传动转矩的基本原理,应用ANSYS软件对24极式Halbach型磁力联轴器的气隙磁场进行有限元分析,研究转角差、气隙厚度、永磁体厚度以及轭铁厚度对磁力联轴器传动转矩的影响.计算结果表明：Halbach型磁力联轴器的传动转矩随转角差呈正弦周期性变化,且在转角差为磁极张角一半时取得最大值;在满足结构要求的前提下应尽量减小工作气隙厚度以提高其传动转矩;随着永磁体厚度的增大,其传动转矩值变化较大且在使用较大尺寸永磁体时更能充分体现Halbach阵列的单边聚磁特性;随着轭铁厚度的增大,传动转矩呈下降趋势但影响很小,因此,在设计Halbach型磁力联轴器时可以取消轭铁结构以降低转动惯量,从而增强联轴器的传动性能.     

Halbach阵列磁力联轴器传动转矩的数值计算

为提高磁力泵磁力联轴器的传动转矩,对Halbach阵列的特点和制造方法进行阐述,并分析了Halbach阵列的磁场分布情况及磁体的磁化规律.基于ANSYS求解磁传动转矩的基本原理,应用ANSYS软件对24极式Halbach型磁力联轴器的气隙磁场进行有限元分析,研究转角差、气隙厚度、永磁体厚度以及轭铁厚度对磁力联轴器传动转矩的影响.计算结果表明：Halbach型磁力联轴器的传动转矩随转角差呈正弦周期性变化,且在转角差为磁极张角一半时取得最大值;在满足结构要求的前提下应尽量减小工作气隙厚度以提高其传动转矩;随着永磁体厚度的增大,其传动转矩值变化较大且在使用较大尺寸永磁体时更能充分体现Halbach阵列的单边聚磁特性;随着轭铁厚度的增大,传动转矩呈下降趋势但影响很小,因此,在设计Halbach型磁力联轴器时可以取消轭铁结构以降低转动惯量,从而增强联轴器的传动性能.     

仿生变刚度关节设计

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,对关节中采用的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。     

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。     

平面折展机构S形柔性铰链设计与试验

设计平面折展柔顺机构的关键技术之一是设计柔性铰链。提出了一种用于平面折展柔顺机构的S形柔性铰链,设计了该铰链的结构形式,并对其等效刚度进行了分析,推导出该结构形式铰链的弯曲等效刚度和扭转等效刚度计算公式。通过设计实例的理论计算和有限元仿真分析,验证了计算公式和仿真模型的正确性。制作了基于S形柔性铰链的平面折展柔顺滑块机构的实物模型,仿真分析和测试结果表明,该机构在工作状态可具有较大变形,并且滑块位移达到76 mm时仍能保持良好的精度,仿真与测试结果基本一致,误差仅为0.76%。