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。     

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。     

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.     

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。     

农林用精准对靶机械手运动学建模及仿真

本文对农林用精准对靶机械人蛇形机械臂运动学进行了建模和仿真。首先对精准对靶机械人研究背景及蛇形机械臂的结构进行了描述，对绳长和关节姿态角度关系进行数学建模，分析了蛇形机械臂绳长与关节姿态角对应的关系，利用MATLAB对运动学模型进行了仿真验证，同时对机械臂末端轨迹进行了仿真。研究表明：关节与绳长建模与MATLAB仿真结果一致，验证了运动学建模的正确性。机械臂末端机构具有较大的可达空间，可以满足机械臂末端机构对靶运动空间。     

考虑润滑间隙效应的空间并联机构动力学优化

为了改善润滑间隙效应引起的空间并联机构动态性能的渐变劣化问题,以■RPaR冗余并联机构为研究对象,提出一种考虑润滑间隙效应的空间并联机构动力学优化方法。建立了考虑润滑转动副间隙的■余并联机构动力学模型;以优化末端执行器的动力学响应误差和优化间隙关节处的约束反力为目的设置目标函数,通过优化末端执行器质量以及转动惯量的方式来缓解运动副间隙导致的劣化效应,建立了考虑润滑间隙效应■余并联机构动力学优化模型;试验验证了所建动力学模型的有效性,对比分析两种目标函数对优化效果的影响以选择最佳优化方式,并分析优化前后考虑润滑间隙效应的空间并联机构动力学特性,结果表明动力学优化使润滑间隙转动副处约束反力峰值降低16.16%,为改善间隙效应提高空间并联机构动态性能提供了理论支撑。     

SCARA并联机构刚度和动力学分析

阐述了一种由2条RSS支链和2条R(SRS)2R支链构成,可实现SCARA运动的新型四自由度高速并联机器人机构。首先,采用方位特征理论（POC）分析了该机构的拓扑结构特征,用矢量法求解了位置反解;其次,运用虚拟弹簧法建立了支链的刚度模型,并求解了支链的静力学方程;再次,利用旋量法得到支链中虚拟关节变形到末端变形的微分映射,从而求得机构的笛卡尔刚度矩阵,根据机构的转动和移动刚度性能指标,分别分析了机构在不同工作平面的刚度特性。最后,推导了机构的主动臂、从动臂和动平台速度、加速度方程,并运用虚功原理建立了机构的动力学模型,通过ADAMS三维模型仿真验证了动力学模型的正确性,为该机构的进一步研究及实际应用奠定了理论基础。     

考虑关节摩擦的3-PRS并联机构动力学建模研究

为了研究摩擦力对并联机构运动过程的影响,对3-PRS并联机构进行了基于关节摩擦力的动力学分析。对3-PRS并联机构进行末端理论运动轨迹规划,采用矢量法对机构进行了运动学分析。提出3种不同的关节摩擦模型,包括库伦摩擦模型、库伦-粘性摩擦模型以及库伦-粘性-静摩擦模型,在考虑关节间摩擦的情况下,基于牛顿-欧拉法建立了3-PRS并联机构的动力学分析模型。逆动力学实例分析表明,负载越大,摩擦力越大,在有无摩擦力的情况下,3个移动副驱动力的最大误差分别为1.40%、1.51%、1.49%。通过正动力学实例分析了不同情况下关节间摩擦模型对末端运动轨迹的影响,结果表明,不同关节摩擦模型对3-PRS并联机构末端的运动轨迹有较大的影响。     

3T1R解耦并联机构动力学与惯量耦合特性分析

对一种3T1R解耦并联机构的动力学性能及其惯量耦合强度进行了分析。对机构进行运动学分析，给出了机构的位置正反解方程，得到动平台的雅可比矩阵，推导了机构各构件的速度、加速度；基于牛顿-欧拉法，考虑构件重力以及外负载，建立了机构逆向动力学模型，并用ADAMS软件进行了仿真验证；基于所建的逆向动力学模型，分析了加速度和动平台姿态角对支链驱动力的影响；基于关节空间的惯量矩阵，建立了惯量耦合强度评价指标，分析了其在工作空间内的分布规律，并与降耦前Quadrupteron机构的惯量耦合强度进行了对比分析。结果表明，结构降耦不仅降低了支链间的耦合强度，而且整个工作空间内惯量耦合强度的分布更为一致，提升了机构动态性能的各向同性。     

切削加工机器人刚度模型研究

通过对机器人臂杆的分析研究,把机器人臂杆当作一个柔性杆进行处理,分别求出其拉伸、扭转和弯曲的挠度,运用误差参数建立运动学模型,从而求得臂杆末端挠度的映射模型,并结合机器人各关节传动误差在机器人操作末端上的挠度误差映射,最终在机器人操作末端叠加关节挠度和臂杆挠度,通过刚度的定义求解出机器人总的操作空间刚度。建立的机器人刚度模型可为机器人切削加工过程中刀具的误差补偿提供依据。     

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。     

2UPR-RPU过约束并联机构刚度性能评价

运用螺旋理论和应变能方法研究了具有2R1T三自由度的2UPR-RPU过约束并联机构的静弹性刚度性能,模型考虑了杆件和关节的柔度。首先,基于螺旋理论得到分支的约束螺旋系;其次,基于材料力学得到分支中杆件的应变能,通过映射分支约束螺旋系到铰空间得到关节的应变能,通过汇总杆件、关节的应变能和卡氏定理得到与约束螺旋系对应的分支紧凑刚度矩阵;最后,通过虚功原理得到机构的总体刚度矩阵。采用有限元商业软件建立了有限元模型,并与理论模型进行对比,验证了理论模型的正确性。定义弹性元件存储的应变能与总应变能之比作为应变能因子指标,给出了应变能因子指标在规则工作空间的四维切片分布图,从应变能的角度定量评价了各弹性元件对机构刚度性能的影响程度,给出了不同载荷作用下的全局应变能因子指标。本研究为定位对机构刚度性能影响最大的弹性元件提供了新的思路。     

含约束支链的冗余驱动并联机构动力学性能优化

全驱动并联机构可以通过增加约束支链或关节实现机构驱动冗余。为了研究约束支链与关节对冗余驱动并联机构动力学性能的优化问题,分析对比了冗余驱动并联机构6P-US+UPU与非冗余驱动并联机构6P-US机构的动力学特性,研究了约束支链对冗余驱动并联机构动力学性能的优化机理。基于虚功原理建立了6P-US机构和6P-US+UPU机构的动力学模型,提出具有明确物理意义的冗余驱动并联机构动力学性能指标,分析了约束分支对机构动力学性能的影响,并结合数值算例对两种机构动力学性能进行了对比分析。结果显示,支链约束提高了机构动力学性能,而支链质量会降低机构动力学性能。     

含恰约束支链的驱动变胞机构构型综合与分析

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,通过开启与锁死驱动副的方式,基于3-RRR球面机构(Sm),利用螺旋理论提出了一类含主动混联恰约束支链的多模式驱动变胞并联机构。针对所综合的3-SPS/SmPU驱动变胞并联机构,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建立其运动学模型。此种通过开启与锁死驱动副实现并联机构变胞的方法也适用于其他变胞并联机构的构型综合,其变胞方式简便易行,全构态逆运动学求解简单,且该类变胞并联机构可有效避免变胞过程中的约束奇异和支链奇异。     

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。     

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。     

冗余驱动的三平动并联机构性能分析与优化

提出一种冗余驱动的三平动并联机构。利用李群理论和修正的Grübler-Kutzbach公式对机构的输出自由度进行了分析。建立机构的位置方程,得到位置逆解和正解表达式,分析机构的运动部分解耦特性。推导机构的雅可比矩阵,并进行奇异分析。分析机构的工作空间。采用螺旋理论和虚功原理,建立机构的动力学模型,得到驱动力的优化分配,驱动力理论分析与仿真计算结果最大偏差为0.6%。建立机构的运动学评价指标和动力学评价指标,并研究尺度参数与机构性能间的映射关系。基于性能图谱对机构的尺度参数进行优化,提高其综合性能。