三自由度并联机械腿静力学分析与优化

为了对六足机器人的并联机械腿进行静力学优化设计,提出了一种同时考虑约束力映射关系和驱动力映射关系的腿部机构静力学优化设计方法,进而对结构参数进行了优化。在对腿部机构进行了驱动、约束映射分析的基础上,分别建立了腿部机构的驱动雅可比矩阵和约束雅可比矩阵;基于驱动雅可比矩阵建立了腿部机构的驱动静力传递平衡方程,定义了驱动静力学性能评价指标并绘制了评价指标分布图,分析了结构参数与驱动静力评价指标之间的关系;基于约束雅可比矩阵建立了腿部机构的约束静力传递平衡方程,定义了约束静力学性能评价指标,分析了结构参数与约束静力评价指标之间的关系;基于驱动、约束静力学性能评价指标,采用蒙特卡罗法对结构参数进行了优化设计,计算结果表明,固定平台结构参数为200mm、中间连接杆结构参数为70mm、运动平台结构参数为50mm、支链1和3的最小杆长为530mm、支链2的最小杆长为330mm、支链1和3的最大杆长为900mm、支链2的最大杆长为600mm时腿部机构的静力学综合性能最好。本文分析结果为六足步行机器人的进一步分析研究奠定了基础。     

三自由度驱动冗余并联机构动力学建模与试验

对于农业机器人而言,其动力学模型是进行动力学特性分析的基础,是实现动力学优化设计及高精度操作的前提。该文针对一种新型驱动冗余并联机构进行了动力学建模,该机构的动平台通过2个PRRR支链和1个PPRR支链与静平台相连,拥有2个转动自由度和1个平动自由度。在分析并联机构组成的基础上,充分考虑各构件惯性力的影响,建立基于Lagrange方程的工作空间完整动力学模型,并运用最小2范数法实现驱动力优化;通过分析给定路径下并联机构各主要组成构件对驱动力的影响,提出针对上述完整动力学模型的简化方案。结合并联机构应用特点,进行了仿真及试验。结果表明,非冗余驱动情况下第1,2轴向驱动力的最大值为15 N,施加冗余驱动后,最大值降为10 N,各驱动力峰值降低约33%;机构位姿角β达到57.6460o时,各驱动力均发生急剧变化,经验证可知该点为奇异点,在实际应用中应避开该点。机构末端轨迹跟踪结果显示,在Y,Z和β方向的最大跟踪误差分别为0.8 mm,0.6 mm和0.068o,因此,基于本文所建立的简化动力学模型的机器人控制系统具有良好的跟踪特性。该研究可为冗余并联机构的动力学控制方法设计提供重要参考。     

并联驱动机械腿运动学静力学性能评价及几何参数设计

为了拓展农业机器人的作业场合,该文对一种三自由度六足腿式机器人并联驱动机械腿机构进行了运动学静力学性能评价及几何参数优选。首先,求解了足端线速度和角速度之间的耦合关联矩阵,定义了该腿部机构的运动学性能评价指标,绘制了该指标的分布图。其次,建立了腿部机构驱动静力学模型,分别利用机械腿在重力方向的最大承载力和驱动关节的最大扭矩定义了该腿部机构在软、硬地面下的驱动静力学性能评价指标。基于线性空间理论求解了驱动机构的约束雅克比矩阵,定义了约束静力学性能评价指标,通过绘制驱动与约束静力学性能评价指标分布图揭示了该腿部机构静力学性能在工作空间内的变化规律。再次,结合各项运动学和静力学性能评价指标,利用搜索法对该腿部机构几何参数进行了多目标优选,并给出了一组较好的几何参数。优选结果表明:平行四边形铰链长连杆及连接连杆的几何参数分别为330 mm和140 mm,地面接触连杆几何参数为320 mm时,腿部机构的综合性能得到改善,具体表现为运动性能提升了5.46%,重力方向最大承载力提升了18.02%,驱动关节的最大扭矩减小了6.33%。该研究结果可为该六足机器人步态规划及控制和应用提供参考。     

农业机器人新型肘关节的静力学性能分析

为了提高农业自动化程度,改善农业机器人的通用性与适应性,提高农业机器人工作时的承载能力和利用率,该文提出一种基于二自由度正交球面并联机构的农业机器人新型肘关节。新型肘关节由2条支链组成,其动平台相对于机架具有2个转动自由度。新型肘关节与其它机器人的肘关节相比,具有良好的运动性能和较大的工作空间。对新型肘关节进行静力学性能分析,首先采用虚功原理的方法建立新型肘关节的静力学传递方程,该方法简化了肘关节的静力学计算过程;其次,利用矩阵理论中的范数知识,将力雅克比矩阵引入到静力学性能评价指标中,定义了肘关节的静力学力矩传递性能评价指标和力矩输入均衡性评价指标,分析了肘关节的静力学特性,并绘制了肘关节的静力学性能评价指标在工作空间内的性能图谱。分析结果表明,农业机器人新型肘关节的力矩传递性能指标和力矩输入均衡性能指标都呈对称分布,静力学力矩传递性能随着转角的增大而降低,在初始位置附近约50%的工作空间内具有良好的静力学特性和运动稳定性。该研究为农业机器人新型肘关节的优化设计提供参考。     

井灌区多泵并联低压管网输水灌溉系统的一种水力计算方法

运用水力学的基本原理,建立了多泵并联低压管灌系统水力计算的方程组。除节点连续方程、实环能量方程和虚环能量方程外,还包括水泵与放水出水口间组成的总体能量平衡方程,与其他管网不同,根据方程组可求解全部未知流量,同时介绍了相应的求解方法。     

六自由度串并联机械手的构型设计与运动学分析

根据串、并联机器人机构综合理论,以二移动一转动串联机构和三转动自由度并联机构为主体,设计了1种能够实现空间平移、回转、升降、仰俯、横摇和偏转动作的六自由度串并联机构。通过对该机构进行分析研究,建立其运动学位姿方程,重点探讨了并联微调机构的运动学模型,建立了其位置逆解与速度映射解析方程,运用MATLAB软件对该机构进行了运动学仿真分析;同时提供了该串并联机构应用于隧道管片拼装机械手的具体实例。该机构具有工作空间大、转动灵活、稳定平衡、精度高及承载能力强的特点,可推广应用于农业种植采摘、林木伐运等机器人结构上。     

游隙对双列调心球轴承静力学性能影响及游隙控制分析

为了分析游隙对轴承静力学性能的影响,基于赫兹弹性接触原理和变形协调原理,且在考虑初始游隙和实际接触角变化的前提下,建立了双列调心球轴承在径向和轴向联合载荷下的静力学数学模型。对静力学平衡方程和未知变量的可行域进行分析,提出基于Broyden秩1拟牛顿迭代法的数值求解流程。以调心球轴承BRF12为例,建立其非线性静力学平衡方程组并求解,分析轴承初始游隙对内、外圈相对位移、轴承刚度、负荷分布、实际接触角等的影响情况。分析得出游隙是影响调心球轴承品质的关键因素,需严格控制。分析各游隙及和接触角的几何关系,进而得到各游隙的简单计算公式,提出游隙尺寸控制和测量方法。研究结果可为新型双列调心球轴承的额定静、动载荷计算、动力学分析和优化设计等提供理论参考和依据。     

四足机器人腿部并联机构末端位置误差分析与验证

为合理确定应用于四足机器人腿部机构的2自由度平面并联机构零件制造公差范围,该文进行了并联机构末端位置误差灵敏度分析与工作空间内的位置精度预估,建立2自由度平面并联机构位置方程;采用全微分理论建立2自由度平面并联机构的误差模型,得到各误差源相对于末端位置误差的映射关系;建立机构位置误差灵敏度模型与评价指标,借助灵敏度评价指标揭示出统计意义下各几何误差源对末端位置精度的影响程度;依据3?原则与灵敏度评价指标,确定了各误差源的零件制造公差;采用三坐标测量仪对试验样机制造误差值进行测量,依据误差模型对末端位置精度在工作空间内的分布进行预估及实例验证。结果表明:实际位置精度值与理论位置精度预估值最大误差绝对值为0.0038 mm,最小误差绝对值为0.001 5 mm,各误差值均较小,验证了误差传递模型、位置精度预估的正确性及该方法确定构件制造公差的有效性。研究结果可为四足机器人腿部机构的运动学标定、误差补偿及执行精确任务时的轨迹规划提供理论依据。     

太阳自动跟踪系统机构静力学及脉动风模拟分析

运用大型有限元软件ANSYS建立有限元模型,对太阳自动跟踪系统中的几个典型构件组合以及整体机构进行结构静力学模拟仿真分析,同时根据瞬态动力学理论模拟脉动风对机构的影响,探讨了模拟分析的细节问题并给出了求解全过程。组合结构以及整体机构的静力学模拟仿真分析结果表明了该机构可以达到设计要求。通过对机构进行脉动风共振模拟试验,由瞬态动力学分析结果表明脉动风使机构产生的振动频率小于固有频率,机构不会发生共振现象。并通过对两种模拟分析结果的比较,表明脉动风对机构的受力影响大。     

2PRC-PRS并联平台运动学分析与控制系统开发

为拓展少自由度并联机器人在农业工程中的应用,提出一种具有两转一移(2R1T)3自由度的2PRC-PRS并联机构,基于反螺旋理论对机构的自由度及运动特性进行了分析,并推导出了机构的位置反解;设计制造了2PRC-PRS并联平台样机,结合贝加莱公司生产的伺服运动控制器,添加相应外围设备,对并联平台设计了一套基于Powerlink总线的网络化运动控制系统,组装了电控柜,并以Automation Studio 3.0为软件开发平台,基于ST编程语言开发了控制软件;在并联平台和电控柜以及控制软件的基础上,完成了伺服电机三环参数整定、电子齿轮试验、平台综合运动控制试验以及无线网络远程控制试验。为深入研究此类少自由度并联机器人奠定了理论和试验基础,丰富了工业网络实时控制系统的实践经验,也为此类机电一体化设备的研发提供了参考。     

三平移<3-PRRP4R>并联减振机构的设计与刚度分析

为有效解决工农业生产中的多维振动问题,针对一种3-PRC机构的不足进行了优化设计,得到了一种3-PRRP4R机构。与传统的3-PRC机构相比,3-PRRP4R机构具有更好的运动学和力学性能。建立了3-PRRP4R机构的运动学模型,运用齐次坐标变换法对机构的运动学进行了分析,得到了机构的雅可比矩阵和工作空间,与3-PRC机构相比,3-PRRP4R机构的工作空间具有更好的对称性。在Adams软件中仿真验证了(4R)^机构比圆柱副C具有更好的力学性能。以3-PRRP4R机构为主体,通过在主动副处添加弹簧阻尼,构建了多维减振平台,基于虚功原理推导了系统的静力学平衡方程,引入了系统的等效刚度,得到了系统等效刚度在工作空间内的分布规律。该研究可为并联机构的优化设计、等效刚度分析、动力学分析和多维减振应用等提供参考。     

少齿差星轮型减速器的弹性静力学分析

针对目前少齿差星轮型减速器在机械应用中行星轴承易烧毁的现象,对其进行力学分析以寻求解决的途径。综合考虑内啮合齿轮副、行星轴承的变形以及各轴的扭转变形,构造少齿差星轮型减速器的变形协调条件,并采用子结构法建立该类传动系统的弹性静力学模型。通过求解系统的弹性静力学方程,获得系统各环节的受力,并给出了一个运动周期内两相机构的齿轮啮合力、行星轴承力和各曲轴扭矩的变化规律。弹性静力学仿真表明,少齿差星轮型减速器两相机构各环节的受力均呈周期性变化,且二者的变化规律基本相同,仅存在180?相位差。两相机构中齿轮副的啮合较为平稳,其啮合力在一个运动周期内仅存在微小波动;但行星轴承的载荷状况较为恶劣,其中星轮轴行星轴承的载荷波动较大,而输入轴行星轴承的载荷幅值较大,这恰与星轮型减速器应用中行星轴承易烧蚀的现象相吻合。该研究可为少齿差星轮型减速器的强度设计和结构优化提供准确的力学依据。     

基于旋量理论和Sylvester结式法的6自由度机器人逆运动学求解分析

针对传统denalit-hartenber(D-H)参数法进行机器人运动学建模存在的复杂性、奇异性以及逆运动学求解困难等问题,该文基于旋量理论建立了多自由度串联机器人的矩阵指数积(product-of-exponentials,POE)运动学模型,而同时旋量理论机器人逆运动学求解问题归结为高维非线性方程组的求解,于是引入希尔维斯特(sylvester)结式法进行逆运动学方程组求解,并在数学符号化运算Maple软件实现了逆解算法过程,最后通过实例计算表明,该逆运动学模型及求解方法高效准确可靠,物理和数学意义明确,实用性强,能够推广到其他构型机器人的运动学建模以及逆运动学的求解,为机器人逆运动学的快速求解提供了参考。     

五自由度混联机器人优化设计与运动学分析

为提高农业自动化程度,拓宽并联机构在农业工程领域的应用,提出一种存在连续转轴、关节数目少、易于控制的两移一转运动冗余平面并联机构,该并联机构任意位置的转轴均为相互平行的连续转轴,使其具备良好的灵活性。基于此平面并联机构,构造出了多种五自由度混联机器人,首先建立了五自由度混联机器人的运动学模型,并对其进行了奇异分析,给出了减少机构奇异位型的条件;然后基于灵活性指标,对并联机构进行了尺寸优化,绘制了用于选取结构尺寸的性能图谱,且借助有限元软件对基于优化所得结构尺寸绘制的具有运动冗余特性的平面机构进行了结构拓扑优化,,完成了整体结构优化前后的静力学分析与对比,结果显示优化前后整体变形仅增大0.51%,优化前后机构优化部分的质量减少33.02%,满足机构变形要求。该混联机器人具有结构简单、运动学模型简单、结构刚度高和模块化程度高的特点,且其结构的变胞性有助于实现机构运动和驱动冗余模式的切换,增强了机器人的可研究性。该文可为混联机器人运动学分析及优化设计提供参考。     

韭园沟流域淤地坝坝系布局评价

淤地坝系的科学布局关系到流域的防洪安全,对淤地坝系布局进行评价,可以为流域坝系工程的规划、建设和设计工作提供理论依据。将黄土丘陵沟壑区韭园沟流域划分为1个主沟坝系单元和14个子坝系单元,选取了大型坝占总比、串联率、库容均衡度、稳定系数、侵蚀模数、洪量模数及保收率7个指标,采用AHP、IAHP、熵权法及组合权重法分别计算了各指标权重,依次对韭园沟坝系布局进行了评价。研究表明:（1）流域部分子坝系单元布局不合理,但全流域坝系布局合理;（2）IAHP法和组合权重法在计算权重时更客观,评价结果较为合理;（3）4种方法中,大型占总比权重系数均达到最大,表明骨干坝对坝系布局有决定性影响;（4）当骨干坝控制全流域50%以上,库容均衡度达0～20万m³/km²,稳定系数达到1/25～1/20,洪量模数0～10万m³/km²,骨干坝串联个数低于2.5座/km时,坝系布局基本合理。     

双平行多杆栽植机构运动学分析与试验

为提高幼苗移栽质量,设计了1套双平行多杆栽植机构。为了分析和优化该机构的结构参数,建立了该机构的数学模型和运动学方程,并基于Matlab-gui编写了人机交互式程序界面。结合移栽农艺要求,建立了栽植机构运动轨迹与幼苗移栽直立度合格率的关系模型。根据仿真结果,优选了1组机构杆件长度、安装位置和初始角度等参数,并根据该参数设计和制造了幼苗移栽机样机。样机路面静轨迹和动轨迹的高速摄像试验表明,样机实际运动规律符合仿真设计要求,证明了机构设计、数学模型、软件程序和关系模型准确无误;田间试验时接苗准确率和直立度合格率均达100%,试验结果表明双平行多杆栽植机构符合幼苗作物移栽要求,同时也证明了Matlab-gui的人机交互优化方法在多杆式移栽机构分析中准确可行。该研究形成的多杆式移栽机构的运动规律对提高机械化作物幼苗移栽质量具有一定的指导意义。     

长江流域土壤水量平衡与植被旱度研究

以流域为研究单元,采用水量平衡与估算法相结合的参考蒸散修正模型,定量分析了长江流域九个区域的不同水平年的土壤水分动态、植被耗水量、水分亏缺量及植被旱度。结果表明:长江中下游流域植被旱度较大,特别是偏枯年。不同区域四季干旱规律、干旱程度不同,各有特点。长江流域的水量平衡中水分蒸散是主要的输出形式。因蒸散力较大,所以植被旱度较大,植被恢复要充分考虑其水分条件,选择合适条件的物种。     

黄土区灌木柠条锦鸡儿根-土间摩擦力学机制试验研究

为系统研究灌木植物根系的拉拔摩擦力学机制,该项研究在西宁盆地黄土区的自建试验区内选取生长期为2 a的柠条锦鸡儿作为供试种进行根系拉拔摩擦试验。试验结果表明:柠条锦鸡儿主根的作用主要为提供根-土间静摩擦力,侧根的作用则主要表现为增大根-土间最大静摩擦力、根-土间最大摩擦力及根-土间最大摩擦力对应的根系位移;柠条锦鸡儿根-土间最大摩擦力随着根系总表面积、根系总体积、根系总长、根系总干质量、侧根数5个根系形态学指标的增加而增大,根-土间最大摩擦力与5个根系形态学指标之间可建立幂函数关系,且通过相关性分析可知,根系总表面积是与柠条锦鸡儿根-土间最大摩擦力相关程度相对较为显著的根系形态学指标;在本试验条件下(土体质量含水率15.1%,密度1.65g/cm3)由单根(不含侧根的主根)拉拔摩擦试验所得到的柠条锦鸡儿主根与土体间静摩擦系数为0.738 9±0.04,该值显著大于区内不含根系土体内摩擦系数0.504 0±0.03,表明柠条锦鸡儿根-土界面间的摩擦力值及抵抗变形的能力大于不含根系土体。该项研究结果对于进一步探讨研究区灌木根系的拉拔摩擦力学机制,以及科学有效地防治坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害具有指导意义和实际应用价值。