2-UPR-PRU并联机构静刚度模型建立与性能分析

针对2-UPR-PRU两转一移三自由度并联机构,采用螺旋理论和应变能方法对其进行系统的静刚度模型建立与性能分析。基于闭环矢量法建立2-UPR-PRU并联机构的运动学逆解模型。考虑分支杆件的柔性,采用螺旋理论和应变能方法推导2-UPR-PRU并联机构各分支的刚度矩阵,结合变形协调方程构建2-UPR-PRU并联机构的整体刚度矩阵,得到外载作用下机构在不同位型的变形情况和整体柔度矩阵,并通过ANSYS软件进行数值仿真验证。基于静刚度模型分析2-UPR-PRU并联机构的虚功刚度指标,获得2-UPR-PRU并联机构在不同外载和操作高度情况下的静刚度性能分布图谱。研究结果对于设计样机、提高机构的控制精度方面有重要的参考价值。     

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。     

考虑杆件弹性变形的改进型Delta并联机构刚度特性分析

基于传统的机构刚度映射矩阵,建立了改进型Delta并联机构的刚度模型.模型不仅考虑了驱动铰链刚度和外载荷对机构刚度的影响,还考虑了构件重力和在约束力下杆件弹性变形对刚度的影响,更具有一般性和精确性.由于用刚度矩阵来评价机构刚度性能不够直观,提出了以机构弹性变形来评价机构刚度特性的方法.利用虚功原理计算出机构各个约束铰链上静态约束力,利用叠加原理计算出每个杆件约束反力和重力作用下的弹性变形量.然后,通过坐标变换法计算出机构的综合弹性变形量,进而分析了机构的刚度特性.     

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。     

2RPU+2UPR+RPR多冗余驱动并联机构运动学分析与优化

提出一种RPR型多冗余驱动两转一移并联机构2RPU+2UPR+RPR。基于螺旋理论建立机构运动螺旋系与约束螺旋系,分析机构自由度性质;建立机构运动学模型,基于软件仿真结果验证理论模型正确性;推导机构传递螺旋系,建立机构局部性能指标与全域性能指标;基于优质工作空间和优质传递性能分布对机构进行尺度优化,获得机构优化尺度与传递性能图谱,分析关键尺度参数对机构传递性能的影响;基于雅可比矩阵和传递性能分布分析优化尺度下机构奇异特性,机构在优化空间内无奇异位形。     

基于给定工作空间的球面变胞仿生关节机构优化设计

研究一种由静平台、动平台、3个环形支链和1个中间变胞支链组成的新型球面变胞仿生关节机构,该机构具有2个构态,即构态1(正常构态)和构态2(变胞构态)。通过中间支链的结构变换,可以实现构态切换。首先运用矢量代数法,建立机构运动学逆解模型,得到其速度映射模型和雅可比矩阵。其次,在逆解模型的基础上,研究机构工作空间与机构尺寸关系,根据分布规律对工作空间大小进行优化,确定预设工作空间。最后,根据承载力和刚度性能评价指标对给定工作空间下的机构进行尺寸优化设计,分别给出每种性能指标较好的尺寸范围,综合两种指标,得到机构最佳设计尺寸。     

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。     

计及重力的3-R[TXX-]RS并联机构静刚度分析

研究重力场作用下3-R[TXX-]RS并联机构半解析静刚度建模方法。建模中同时考虑运动部件重力和末端外载荷对关节反力的影响,以及支链分布重力和所有构件/铰链弹性对关节变形的影响,并基于各部件在关节空间中的刚度模型建立机构末端静刚度模型。通过算例得到3-R[TXX-]RS并联机构末端静刚度和重力引起的末端变形在工作空间的分布规律;通过研究各构件刚度和重力分别对末端静刚度和变形的影响,得出为实现轻质高刚的结构设计应从球副和转动副刚度相匹配、主动臂和从动臂的驱动和约束刚度相匹配以及动平台轻量化设计等方面入手。     

空间3-PUS-UP并联机构运动灵巧性与刚度性能研究

以含中间支链的3自由度3-PUS-UP并联机构为研究对象,充分考虑驱动支链、串联约束支链及末端平台伴随运动的影响,利用封闭矢量法求解位置逆解,建立并联驱动部分的雅可比矩阵;采用D-H法建立中间UP串联约束支链的雅可比矩阵。结合驱动方程和约束方程的关系,构建了3-PUS-UP并联机构完整的雅可比矩阵,建立该机构的运动学模型,通过仿真验证了雅可比矩阵的正确性;引入运动灵巧性和机构刚度性能指标,并绘制运动灵巧性和机构刚度在工作空间中的分布图谱,研究机构的运动灵巧性和机构刚度在整个工作空间的分布情况,建立了该机构基于运动学灵巧性的最优工作区域。研究表明,该3-PUS-UP并联机构具有良好的运动灵巧性与刚度性能。     

无耦合空间移动并联机构型综合

为解决利用一般型综合方法得到的并联机构具有强运动学耦合性的问题,基于驱动力螺旋理论提出了一种无耦合空间移动并联机构型综合的系统方法。首先建立了无耦合移动并联机构运动输入输出关系的数学模型;然后根据机构速度雅可比矩阵为对角阵的条件推导出分支运动链驱动力螺旋和主动运动螺旋的形式;再根据互易积原理建立了分支运动链非主动运动螺旋的确定方法,给出了分支运动链型综合准则和步骤;最后将所综合的3条分支运动链按照指定的配置方式将动平台和静平台连接起来即可得到具有预期运动特性的机构。本文共综合出60种具有对称结构的无耦合空间移动并联机构,其中非过约束机构有47种,含有惰性副的有29种。所得到的部分机构的雅可比矩阵为单位阵,且其条件数恒等于1。这些机构具有较好的运动和力学传递性能,进一步丰富和完善了并联机构的型综合理论。     

三构态驱动变胞并联球铰设计与分析

不同于现有利用约束奇异和支链奇异实现的变胞并联机构,本文通过开启与锁死驱动副的方式,利用有限旋量法提出了一种可以实现一维转动、二维转动和三维转动的三构态驱动变胞并联球铰。根据螺旋理论分析机构各构态的自由度,利用机构的结构特征和几何约束关系分析其运动学。基于驱动变胞并联球铰(Sm),通过串联P副和U副,形成SmPU变胞支链,提出一种八模式3-SPS/SmPU驱动变胞并联机构。此种通过开启与锁死驱动实现驱动变胞球铰的方法也适用于其他变胞运动副的综合,变胞方式简便易行,且该类变胞运动副可有效避免变胞过程中的约束奇异以及支链奇异。     

一种3(Ra) PS变胞并联机构构型与运动学分析

研究一种基于变胞铰链Ra (Reconfigurable axis)的新型3(Ra)PS变胞并联机构的可重构特性和统一运动学分析方法.根据约束螺旋系统表明,在一个构态下,(Ra) PS支链对平台没有约束,而在另一个构态下,通过改变可重构铰链Ra铰内轴线的位置,可以提供一个约束力.支链的两个构态使3(Ra) PS变胞并联...     

平面弹性欠驱动并联机构刚度特性分析

根据多维运动模拟的需求,提出一种包含螺旋圆弹簧(圆柱形螺旋弹簧)的欠驱动运动模拟台。利用螺旋圆弹簧的轴向和横向刚度约束运动模拟台的工作空间,通过两个驱动分支和动力耦合实现其3个自由度的运动。将螺旋圆弹簧等效为RePeRe弹性运动支链,进而将并联运动模拟台等效为2RPR/2RePeRe弹性欠驱动机构,并利用Grassmann线几何分析该机构的输入选取原则。基于旋量及其迁移公式,建立等效机构的运动学模型。借助于影响系数和虚功原理,对该弹性欠驱动机构进行静力学分析,得到其静力学约束方程。最后,建立了该机构的连续非线性柔度模型,并以此为基础得到其方向刚度模型。     

Exe-Variant并联模块静刚度分析

由于良好的刚度和动力学性能,Exechon并联机构已被应用于加工、制造、航空航天等领域,但Exechon并联模块的转动能力较弱,导致其工作空间较小。为此,以机构变异方法设计构型为2RPU1RPS的Exe-Variant并联模块。为研究Exe-Variant并联模块的刚度性能,采用子结构综合技术建立了该并联模块的刚度模型。建模时,将机构划分成若干子系统,并计入关节和支链弹性对整机刚度的影响。基于所建刚度模型,研究了Exe-Variant并联模块整机刚度在其工作空间内的分布特性,并进行了机构关键设计参数和机构关节处弹性变形对整机刚度的影响分析。结果表明,该模块的刚度分布在工作全域内呈现出对称性,模块关键设计参数和机构关节处弹性变形对整机的刚度性能影响较大。     

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。     

双丝杠与直线导轨结合部静刚度分析

基于弹性力学赫兹接触理论,对主轴箱在z轴不同位置时双滚珠丝杠副轴向刚度、角接触球轴承轴向刚度和直线导轨副线刚度进行分析,建立了静刚度模型。基于此模型,结合有限元仿真,得出永磁直线同步电动机法向力对机床刀具点的变形。仿真结果与实验结果对比表明,两者吻合很好,验证了静刚度模型的有效性。