基于伪刚体模型的多层LEMs建模与仿真

结合刚性机构分类思想和刚体代替综合法,设计了一多层LEMs机构。基于柔顺机构伪刚体模型及LET铰链等效弹簧刚度模型,对多层LEMs进行分析,推导出该机构的输入载荷和输出位移量的理论计算公式,并用该理论计算公式对设计实例进行计算。同时对该设计实例进行有限元仿真分析,两种方法所得结果基本一致,表明理论分析的正确性和该设计的可行性。     

微型双自由度全柔性五杆机构设计与分

分别采用伪刚体模型和拟柔性模型对双自由度全柔性五杆机构进行了分析,建立了不完全分布柔度全柔性五杆机构的伪刚体模型和拟柔性模型,推导出外载荷与位移关系的一般公式.设计了一微型对称全柔性五杆机构,利用刚性五杆机构几何关系和迭代程序,给出了该机构拟柔性模型的理论计算结果,同时用ANSYS对该实例进行了分析.通过实例的理论计算和有限元分析结果的比较,验证了理论推导的正确性,同时也验证了拟柔性模型分析方法的有效性.     

全柔性四杆机构伪刚体模型分析计算方法的改进

针对介于具有集中柔度和具有分布柔度之间的全柔性机构,在利用伪刚体模型分析具有集中柔度的全柔性铰链四杆机构基础上.考虑构件的线弹性变形,对伪刚体模型的分析方法加以改进,给出了其一般公式.全柔性铰链四杆机构改进前后的分析计算实例和有限元仿真,验证了该分析方法的有效性.     

柔顺机构PR伪刚体动力学建模与特性分析

基于伪刚体模型,综合考虑柔性杆的横向变形和轴向变形的影响,建立了末端受力作用下柔顺机构的PR伪刚体动力学模型,应用拉格朗日方程推导了其动力学方程.从方程特征、响应曲线等方面显示了PR伪刚体动力学模型的性能变化.数值分析结果表明:PR伪刚体模型引入了P副来模拟柔性杆件的轴向运动,可以更真实地体现出柔顺机构的动力学特性,更适合于柔顺机构的动力学分析与设计.     

不完全分布柔度全柔性机构拟柔性模型研

不完全分布柔度全柔性机构是介于具有集中柔度和分布柔度之间的一类全柔性机构,根据这类机构的特点,在伪刚体模型的基础上,提出了拟柔性模型的分析方法,建立了直梁型柔性铰链与构件的拟柔性模型,同时定义了拟柔性模型的外载荷力比值系数μF和模型的修正系数μλ.给出了一组实例的拟柔性模型计算结果,通过该组实例的实验测试以及对测试结果和计算结果的分析比较,验证了该模型的有效性.     

平面折展升降柔顺机构设计

基于微型升降机构的工作原理,设计了一种平面折展升降柔顺机构,建立了该机构的伪刚体模型,利用虚功原理推导出平面折展升降机构的输入载荷与输出位移关系的计算公式。设计了基于LET铰链和LOOP铰链类型的平面折展升降机构实例,并对其中包含弧形片段的LOOP柔性铰链的弯扭耦合等效刚度进行了研究,分析得到其弯扭耦合等效刚度计算公式,通过2个设计实例的理论计算和有限元仿真分析,验证了理论公式和仿真模型的正确性。设计了基于LOOP铰链的升降机构的实物模型,计算、仿真分析和测试结果表明,该机构可产生较大提升量并且仍能保持良好的精度,达到了设计目标。     

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。     

基于压电作动器驱动的微操作机构设计与运动控制

设计了一种由压电作动器驱动的微操作机构。基于柔顺机构原理设计了桥式位移放大机构,以改善压电作动器的输出位移。利用伪刚体法和Euler-Bernoulli柔性梁理论建立微操作机构的静力学模型,并通过Lagrange方法推导出其动力学方程,进而获得机构的自然频率。借助于差分进化算法进行柔性铰链几何尺寸优化,并与计算机有限元仿真分析进行交叉验证。最后,实验验证了所提出微操作机构能够获得位移放大倍数为9.8和行程为180μm;在基于观测器PID控制下,机构位移均方根误差和最大位移误差分别为0.071、0.128μm。本文提出的微操作机构具有精度高、鲁棒性强的运动效果。     

基于串联式Triple—LET的LEMs滑块机构分析

设计了一种基于串联式的Triple-LET新型柔性铰链,给出了该铰链的三维结构,并对其进行了弯曲等效刚度的理论分析,推导了该结构形式铰链的弯曲等效刚度计算公式并给出了修正系数。基于修正的弯曲等效刚度理论计算公式,对设计实例进行了分析计算,同时建立了该设计实例的有限元仿真模型,通过理论计算结果和仿真分析结果的比较,验证了该铰链设计的可行性。将该新型铰链应用于LEMs柔顺滑块机构的设计中,建立了该机构的基于修正弯曲等效刚度的伪刚体模型,并加工了该串联式Triple-LET铰链的滑块机构铍青铜实物模型,理论计算和实测结果基本一致,验证了理论模型的正确性和机构设计的可行性,同时也表明该滑块机构在工作状态具有较大变形,能保持较好的稳定性。     

柔顺微夹持机构理论分析与实验

微操作系统中柔顺微夹持机构作为执行端是完成微操作的关键部件。提出了一种新型柔顺微夹持机构,利用虚功原理建立了该微夹持机构的伪刚体模型,推导了微夹持机构的位移方程,得到了该微夹持机构的输入位移与输出位移以及驱动力与输出位移关系。建立了该微夹持机构的三维模型,并在ANSYS软件中进行仿真,将仿真结果与理论结果进行比较,验证理论模型的准确性。最终加工了该微夹持机构并进行了实验,将实验数据与理论值、仿真值进行对比,进一步验证了理论模型的准确性。     

基于半圆型波纹周期梁的柔顺恒力机构优化设计

为了解决柔顺恒力机构中正刚度模块的几何非线性问题,基于半圆型波纹周期梁设计了正刚度模块,负刚度模块采用双稳态梁,利用正负刚度叠加原理设计了柔顺恒力机构。采用莫尔积分法和柔度矩阵法建立了正刚度模块的理论模型,采用椭圆积分法建立了负刚度模块的理论模型,并通过ANSYS有限元仿真软件分析了柔顺恒力机构的力-位移曲线以验证理论模型,两者相对误差在10%以内。为了扩大恒力区间范围,采用响应面法对柔顺恒力机构的几何参数进行优化,并对影响恒力范围的几何参数进行了灵敏度分析。利用3D打印技术加工柔顺恒力机构样机进行实验验证,实验结果表明,机构能在输入位移1.1～6.2 mm的范围内保持约18.8 N的恒力,验证了所设计的柔顺恒力机构的可行性、优化方法的有效性和理论模型的准确性。     

柔顺关节并联机器人动力学建模与控制研究

对具有大范围运动特性的柔顺关节并联机器人开展了动力学建模、特性分析、控制策略设计及动态性能分析等研究。基于伪刚体法,研究柔顺关节特性,建立含大变形柔顺关节的系统模型,应用拉格朗日方法建立了系统动力学方程。为补偿柔顺关节引起的系统振动、未建模动态以及惯性参数摄动造成的模型误差,设计趋近律滑模控制策略并证明了其稳定性。仿真结果验证了动力学模型和控制策略的有效性。     

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。     

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%。     

仿腕关节柔顺并联打磨机器人设计与试验

根据柔性并联机构逆向自适应运动原理,设计了一种3转动输出的3SPS+S仿腕关节柔性并联打磨机构,建立了机构运动方程,得到了柔性支链变形量与动平台姿态的关系;分析了柔性支链的变形力以及打磨工具打磨力、输出力矩情况,并建立力学模型;以打磨工具姿态变化和打磨力恒定为目标,对建立的三维模型进行仿真,并通过样机模拟得到机构的工作参数范围;仿真和试验结果表明,这种打磨机构可根据工件曲面几何形状的改变而实时改变打磨工具姿态,在有效控制力的前提下可保持打磨头和工件间的接触打磨力不变,该机构设计简单、运动灵活、方便控制,具有较好的应用价值。     

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。     

柔顺关节并联机器人动力学模型

首次采用初始弯曲梁的伪刚体模型建立了柔顺关节的双1R伪刚体模型,应用拉格朗日方程和虚拟切割法推导了柔顺关节并联机器人系统动力学方程。对方程进行了数值求解,结果显示在理想结果的基础上存在低幅高频振动,而简化模型结果却比较理想,这表明理论模型比简化模型更能反映柔顺关节并联机器人这种刚柔耦合系统的特征;同时理论轨迹与ADAMS-ANSYS联合仿真轨迹、实验轨迹进行对比,最大相对误差分别为2.41%和4.69%,验证了理论模型的正确性。