永磁变刚度机构柔性机器人力学特性研究

提出一种使用永磁弹簧的变刚度机构应用于柔性机器人。由于电动机转矩限制,在不增加绳索拉力的情况下,实现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。     

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%。     

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。     

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.     

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。     

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。     

永磁同步电机电磁性能仿真及影响因素分析

为进一步探究永磁同步电机不同结构参数对电磁性能的影响,通过使用Maxwell软件设计永磁同步电机,深入分析了电机槽口宽度、气隙长度以及永磁体宽度等结构参数对永磁同步电机电磁性能的影响。仿真结果表明：增加槽口宽度,电机空载气隙磁通密度基波幅值呈增加的态势,空载反电动势基波幅值呈减小趋势,齿槽转矩增加较为明显;增加气隙长度,电机气隙磁通密度基波幅值呈逐步减小趋势,空载反电动势呈减小态势,但减小幅值不大,气隙长度在一定范围内使得齿槽转矩先增加后减小;永磁体宽度的增加使得气隙磁通密度幅值、电机空载反电动势基波幅值以及齿槽转矩均呈增大态势。通过对不同电机结构参数对电磁性能的影响分析,可为设计优化永磁同步电机提供指导意义。     

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。     

永磁压缩弹簧式溢流阀的设计与试验研究

针对螺旋压缩弹簧在液压元件使用过程中的疲劳断裂、氢脆断裂、腐蚀断裂、松弛、塑性变形、永久变形等失效模式,提出了非接触式永磁压缩弹簧式液压阀的设计理念,对永磁压缩弹簧式溢流阀的基本结构、工作原理、电磁力、刚度特性进行了研究,通过解析法和试验验证法对永磁压缩弹簧进行了设计,充分利用磁场力优于螺旋压缩机械弹簧的特性段,设计出了永磁压缩弹簧式溢流阀,并对设计出的溢流阀进行了试验验证.结果表明,当永磁阀芯与永磁底座之间的间隙为0.4～1.2 mm时,磁场力保持70±5 N基本不变;在溢流阀的阶跃响应试验中,永磁压缩弹簧式溢流阀的压力波动比为11.7%,小于螺旋压缩机械弹簧式溢流阀压力波动比22.8%;在相同技术指标的条件下,永磁压缩弹簧式溢流阀的体积较螺旋压缩弹簧式溢流阀小37.5%.因此,可以充分利用永磁压缩弹簧的优势在液压阀设计方面进行深入研究.     

磁力泵传动技术的发展现状与展望

在综述磁力泵发展现状及特点和磁力传动技术中磁体排列方式发展历史的基础上,分析了影响磁力泵转矩的2个关键因素,永磁材料和磁体的排列方式。对前3代永磁材料的磁性能与温度特性进行了对比,并展望了第4代SmFeN稀土永磁材料的应用前景。通过对聚磁技术的介绍,分析了Halbach阵列应用于磁力泵的可行性,并指出Hal-bach阵列应用于磁力泵的优势,对磁力泵的小型化及超大转矩磁力泵有着广阔的应用前景。     

稀土永磁弹簧的力学特性研究

采用有限元法对稀土永磁弹簧的磁场分布进行了数值模拟分析。并就弹簧永磁体的结构参数对弹簧特性的影响作了详细研究。研究结果表明，在磁力弹簧的主要工作区段，位移和压力近似呈线性关系，弹簧的力学性能不仅与永磁体的形状有关，而且与永磁体的具体尺寸有关，对于相同结构和尺寸的磁力弹簧，如果两环的磁极相对，则其力学性能较差，两环磁针极同向的弹簧，力学性能较好，位移范围较大，因此，磁力弹簧大多用作压缩弹簧。     

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.     

磁流变阻尼器设计与性能试验

以提高输出阻尼力和减少响应时间为目标,对磁流变阻尼器进行励磁线圈缠绕方法和磁场融合匹配分析,提出了基于反向串联线圈缠绕和活塞-永磁复合体的结构优化方法,并设计了一种磁流变阻尼器件.在DS-100型动静试验平台上进行不同激振频率、激振振幅和控制电流下的综合性能测试.研究表明,优化后磁流变阻尼器的输出阻尼力可提高65％,响应时间最大可减少50％.研究结果为进一步改进磁流变阻尼器性能提供了参考依据.     

磁吹灭弧在某轻型卡车起动继电器上的应用

某轻型卡车起动继电器内部增加了磁吹灭弧装置,利用永磁铁的磁力将电弧拉长、冷却,电孤被冷却而熄灭,保护触点不被电弧烧蚀.从根本上解决起动继电器触点易被电弧烧蚀问题,提高了起动继电器的可靠性.     

磁力泵滑动轴承磨损传感器设计

为了实现磁力泵轴承磨损实时监测,设计了一种新颖的磁力泵滑动轴承磨损传感器.针对磁力泵采用特殊的传感器结构,变曲面测量为平面测量,经过防腐处理的导磁材料制作的检测轮固定在内磁转子上,检测探头固定在隔离套上的环型嵌槽内,其一端为密闭罐形,另一端为检测工作平面,并与检测轮平面相对,检测磁钢、导磁体、导磁体铁额与霍尔集成电路均放置在检测探头内,检测探头与检测轮组成闭环检测磁路.采用磁路分析法,对检测探头和检测轮磁路简化.传感器确定后,磁路各参数如导磁体磁导、磁钢磁动势、磁路截面积等均为常数,因而霍尔集成电路输出电压与检测探头铁额的面积变化量关联,即和检测轮移动量δ关联.通过磁力泵X轴差分检测传感器试验,传感器的位移特性曲线线性度得到改善,分辨率为0.1 mm,测量精度为0.1~2.3,传感器灵敏度为10 mV/mm,该传感器对实现磁力泵轴承磨损实时监测具有一定的应用价值.