五自由度混联机器人尺度与结构优化设计

串联机器人具有较大的工作空间且易于控制等优势,与并联机构的高刚度有着良好的互补性。因此,五自由度混联机器人兼具串、并联机器人的优点而成为主要研究方向。本文对五自由度混联机器人构型进行阐述,该混联机器人的并联部分为存在2条连续转轴的两转一移并联机构2RPU/UPR;较系统地对该五自由度混联机器人关键尺寸进行了优化设计;对混联机器人的关键部件的机械结构进行了设计与分析,并对其进行了结构优化;对优化前后整机进行有限元静力学仿真,并对优化前后仿真结果进行了对比分析。结果显示,优化后该五自由度混联机器人的整体刚度得到提升,且整机的质量进一步减轻,有助于节约机器人的制造成本,提高机器人的动态性能。     

五自由度混联机器人逆动力学分析

基于一种具有两转动一移动(2R1T)3自由度的并联机构2RPU/UPR构造了5自由度混联机器人,该5自由度混联机器人具有结构简单、运动学模型简单及模块化程度高的特点。为解决该5自由度混联机器人的动力学问题,首先推导出了并联机构各分支和并联机构动平台独立运动参数之间的3×3速度雅可比方阵;然后求得了并联机构各分支质心速度与动平台质心广义速度之间的速度映射矩阵,并建立了UPR分支和RPU分支的运动学模型,且基于虚功原理建立了并联机构2RPU/UPR的动力学模型;其次运用达朗贝尔原理对并联机构所串联的单自由度摆头进行受力分析,建立单自由度摆头和并联机构动平台之间的力学关系;最后运用Matlab和ADAMS仿真软件,对机器人的理论动力学模型进行了仿真验证,通过所得结果的对比分析验证了理论模型的正确性。     

串并混联仿生机械腿静力学性能分析

仿生机器人的腿部结构由一个两自由度平面并联机构和RPR机构串联组成,具有承载能力大、能够实现快速行走的特点。阐述了机械腿的布局形式,建立了两自由度平面机构的运动学模型。采用虚功原理,根据运动学模型建立了两自由度并联机构的静力学传递模型;利用矢量极值法建立了静力学承载能力性能评价指标和力矩输入均衡性能指标,得到了两项性能指标在工作空间内的分布情况,并对其在工作空间内的分布规律进行了分析。结果表明,两自由度平面并联机构的静力学承载能力性能指标和力均衡性能指标总体呈对称分布,静力学承载能力性能指标在工作空间的底部承载能力最大,向上逐渐减小,到达顶部最小;力均衡性能指标在工作空间中间部位较优,越趋近于边界,性能指标越差,对机构越不利。通过实例与仿真验证了静力学性能分析的正确性,为该串并混联机械腿承载时的轨迹规划提供了参考。     

基于GF集理论的五自由度混联机器人构型综合

基于GF集理论提出了一种简单而有效的混联机器人构型综合方法。首先阐述了GF集的基本概念、运算法则及转动特征存在条件。其次通过分析混联机构结构组成特点,提出了基于GF集元素组合和转动轴线迁移定理安排混联机构拓扑结构的方法,建立了混联机构数综合方程并给出了混联机构构型综合的具体步骤。基于该构型综合理论,综合出了具有确定运动特征的3T2R混联机构。针对综合出的混联机构,提出了一种混联机构末端运动特征的分析方法,运用该方法分析了一种综合得到的3PRPaRRR混联机构,证明了该构型理论的正确性。设计出的3PRPaRRR混联机构具有结构紧凑、定位精确、高速等优点,同时给出了实例应用。     

一种串并混联机械手的运动学分析

一种7-DOF串并混联工业机械手由大臂、中臂、小臂和末端执行器依次串联而成，其中大臂为两自由度并联机构，中臂为单自由度平动机构，小臂为四自由度串并混联机构。该文介绍了该串并混联机械手的构型，对机构进行了运动学分析，求解了机械手的位置正反解。该结构的机械手具有工作空间大、末端灵活性好等特点，在现代工业及农业生产中有很好的应用前景。     

空间4-UPS/RPS并联机构动态静力分析

为了对空间4-UPS-RPS五自由度并联机构进行受力分析,采用达朗贝尔原理建立了并联机构的动态静力学方程,进而对机构受力情况进行了分析。首先,推导出了4-UPS-RPS并联机构的位置反解、速度反解和加速度反解的表达式;然后,应用达朗贝尔原理建立了4-UPS-RPS并联机构的动态静力学方程,导出了机构中5个驱动力;最后,分别利用Matlab理论计算与ADAMS虚拟样机仿真得到机构驱动杆的驱动力和动平台上球面副约束反力的变化曲线,验证了所建动态静力学模型的正确性。研究不仅为4-UPS-RPS并联机构驱动力和运动副反力的求解和结构设计提供了理论依据,也为其他空间并联机构的受力分析提供了可行的方法。     

并联机构静力学分析

提出一种并联机构静力学分析新方法——将影响系数与虚位移原理紧密结合,充分发挥影响系数法在求解机构速度时的方便与快捷性,并将它与广义坐标结合,形成广义速度与虚位移的统一,进而发挥虚位移原理在求解机构平衡方面的优越性。以3-RRC并联机构为例进行理论计算,并与ADAMS仿真结果进行对比,结果表明该方法切实可行。     

四面体式折展机械臂设计与分析

为解决现有部分机械臂收拢率低、末端姿态不可调节等问题,基于四面体单元提出一种折展机械臂机构。首先,阐述了一种单自由度四面体单元机构,该机构具有高刚度和较好的折展性,基于螺旋理论分析了四面体单元的自由度;其次,将多个四面体单元通过特定组合构造一种多自由度折展机械臂机构,以2个四面体单元组成的机构为例,基于几何方法求解各节点的位置、姿态和速度,并得出多个单元组合机构的运动规律;通过ADAMS仿真分析对运动理论分析结果进行验证,应用Workbench有限元仿真软件进行静力学和模态分析;最后,进行了折展实验。研究表明,基于四面体单元的折展机械臂具有多自由度、姿态可调及大收拢率的特点。     

五自由度混联机构圆弧插补算法研究

提出了一种由两自由度并联机构和三自由度串联机构构成的五自由度混联机构-2SPU+U+RRR。建立了该混联机构的三维模型并搭建了试验样机,通过分析将其等效为U+RRR串联机构。对等效后的U+RRR串联机构进行运动学正反解分析,并验证了正反解求解的正确性,同时对两自由度并联机构进行了运动学反解计算,为机构控制奠定了理论基础。针对传统空间圆弧插补算法计算的复杂性,提出了一种基于等弧度数据采样的新型空间圆弧插补算法,简化了插补算法的计算量。通过Matlab仿真和样机实验,验证了上述插补算法的正确性。     

六旋翼植保无人机旋翼折叠机构有限元分析及拓扑优化

为实现某六旋翼植保无人机轻松折叠和轻量化设计的目标,以该六旋翼植保无人机旋翼折叠机构为研究对象,采用ANSYS Workbench有限元软件对其进行静态特性分析和模态分析,得到静力学分析结果和前6阶固有频率及对应振型。随后进行拓扑优化,对旋翼折叠机构进行去除材料的形状优化,根据拓扑优化云图在SolidWorks中对其形状尺寸修整和三维模型重建,将优化后的旋翼折叠机构三维模型再次导入ANSYS Workbench有限元软件进行静力学计算和模态分析,对优化前、后旋翼折叠机构的静力学特性和动态特性进行对比与分析。结果表明,旋翼折叠机构质量由最初的152.98 g减少至140.22 g,六旋翼植保无人机总重减少76.56 g;全新的旋翼折叠机构强度与刚度均在许用应力范围内,并且该机构在工作中不会发生共振,确定拓扑优化的可行性。     

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。     

Tripod并联机器人运动学分析与样机实验

对Tripod并联机器人进行了运动学分析,计算了机构自由度,采用矢量代数法和数值法求出了运动学位置逆解和位置正解。利用Jacobian矩阵的条件数对其进行了运动性能评价,分析了其可达工作空间。计算结果表明该机构具有优越的各向同性性能和广阔的可达工作空间。通过ADAMS和Matlab运动学仿真软件对正解和逆解分别进行了验证。仿真实验结果证明了所建模型的正确性。并对Tripod并联机器人样机进行了精确定位实验、直线插补实验和圆弧插补实验,实验证明机构所建数学模型的正确性。     

Deform-X柔性铰链设计与分析

设计了一种Deform-X柔性铰链,利用微积分的思想分析了其等效刚度,推导了Deform-X柔性铰链弯扭耦合等效刚度的理论计算公式。通过一组实例的理论分析和ABAQUS仿真分析,验证了Deform-X柔性铰链等效刚度理论计算公式的正确性。选取外形尺寸相同的X型柔性铰链与Deform-X柔性铰链进行了性能比较分析,在相同转矩作用下,Deform-X柔性铰链弯曲变形转角约为X型柔性铰链的3倍。分别对X型柔性铰链和Deform-X柔性铰链进行了弯曲失效分析,结果表明Deform-X柔性铰链的可使用范围大于X型柔性铰链。设计了基于Deform-X柔性铰链的平面折展四杆机构的实物模型,通过实物测试和仿真分析表明Deform-X柔性铰链能够实现预期变形。最后,对尺寸相同的基于X型柔性铰链的四杆机构和基于Deform-X柔性铰链的四杆机构在相同力矩作用下的变形进行了分析,结果表明基于Deform-X柔性铰链的四杆机构变形更大。     

基座运动对并联调整机构动力学性能的影响

以上海65 m射电望远镜六自由度并联调整机构为研究对象,研究基座运动对并联调整机构动力学性能的影响。首先阐述了并联调整机构的构型与位姿状态;然后分析了基座运动对动平台和驱动分支受力的影响,计算了基座运动引起的动平台和驱动分支惯性力和惯性力矩的变化,并分析计算了基座运动过程中引起的重力矢量方向的变化;进而采用具有高实时性特点的Kane方法分别建立了基座固定和基座运动两种情况下并联调整机构的动力学方程,最后分别采用Matlab和ADAMS软件仿真分析了基座运动对机构动力学性能的影响。仿真结果验证了所建动力学模型的正确性,同时也发现基座运动对此类机械系统动力学性能影响较为明显,在结构强度校核和控制系统参数设定时应加以考虑,以提高控制系统的准确性和结构强度的可靠性。     

蔬菜钵苗密植移栽机多行取苗机构设计与试验

为实现蔬菜钵苗密植自动移栽,提出一种能够降低因齿轮间的齿侧间隙引起的传动误差进而提高运动准确性的大重合度非圆齿轮传动机构,根据小青菜钵苗密植移栽农艺要求,设计了密植移栽取苗轨迹和一种基于该传动机构的非圆齿轮行星轮系八行同步取苗机构。开展了取苗机构的逆向设计,并对其进行了运动学分析,自主开发了密植移栽取苗机构反求设计软件。为降低传动误差,该行星轮系取苗机构一级齿轮传动采用大重合度非圆齿轮传动,二级齿轮传动采用斜齿轮传动,每级齿轮传动的重合度均接近2。基于虚拟样机技术和高速摄像技术对取苗机构进行轨迹测试试验,得到试验和仿真取苗轨迹,并对比理论计算轨迹,三者轨迹基本一致,验证了密植移栽取苗机构设计的可行性。对密植移栽取苗机构进行取苗试验,取苗机构的取苗成功率为95%左右,检验了机构样机性能。     

双环多杆天线展开机构运动学与动力学分析

针对一种双环多杆天线展开机构进行了运动学与动力学特性分析,首先分析了展开机构构型特征,并对整体机构进行了单元分解,基于螺旋理论,绘制了单元机构的螺旋约束图;进而建立了单元机构的螺旋约束方程组,然后通过螺旋速度递推求得机构中构件的角速度和质心线速度,采用坐标转换求导法得到了速度雅可比矩阵,利用螺旋导数并基于螺旋加速度合成法则得到了构件的螺旋加速度和角加速度以及质心线加速度;最后基于拉格朗日方程,建立了整体机构的动力学方程,通过数值计算与模拟仿真,分析得到了不同构件的运动学与动力学特性,验证了理论推导的正确性。本文分析的双环多杆天线展开机构为单自由度机构,整体结构简单,仅需一个驱动便可收拢和展开,基于螺旋理论和拉格朗日法相结合的运动学和动力学建模分析方法物理意义明确,可以较好地应用于此类空间可展开机构的分析中。     

含双平行四边形结构支链的SCARA并联机构研究

提出了一种含双平行四边形结构支链的新型SCARA并联机构,其包括4条相同支链,具有结构紧凑、承载力和刚度高的优点。首先,基于李群理论对机构的拓扑结构及其自由度进行阐述。其次,构建闭环矢量方程,推导出位置正/逆解,并通过2个数值算例验证位置解的正确性。通过对闭环矢量方程关于时间求导,得到机构的雅可比矩阵,由此建立输入角速度与末端输出速度之间、输入角加速度与末端输出加速度之间的映射关系,并对其进行数值仿真分析。然后,基于位置逆解,运用极限边界搜索法求解机构的工作空间,并绘制相应图谱加以分析。为明确机构动平台的转动性能,进一步研究不同工作平面下的动平台最大、最小转动角的空间分布图谱。在此基础上,借助特征因子构造量纲齐次雅可比矩阵,并利用条件数和可操作度两种方法分析机构的运动传递性能。基于直接和间接雅可比矩阵进一步对机构的3类奇异位置进行分析,明确奇异发生的条件。最后,借助Matlab与ADAMS软件开展仿真实验,验证了理论分析和设计结果的正确性与可行性。     

螺旋式分杯机构运动特性分析与试验

为解决烟苗“杯罩式小苗井窖”移栽扣杯时重叠的烟苗杯罩需要逐次、单个分离的问题,利用曲线导轨曲滑机构的原理设计了螺旋式分杯机构。为研究螺旋式分杯机构关键构件的运动规律和获取运动特性参数,针对螺旋式分杯机构进行简化,建立了关键构件的角度、角速度和角加速度运动模型,并运用RecurDyn仿真软件进行运动学仿真分析,为螺旋式分杯机构的进一步优化和动力学仿真分析提供了理论依据。为验证螺旋式分杯机构结构设计的合理性,配合设计的烟苗移栽扣杯装置进行田间试验,结果表明:研制的螺旋式分杯机构结构设计合理,能实现预期的功能,分杯平均合格率为91.5%,扣杯效率提高50.3%,能满足烟苗移栽扣杯的使用要求。     

高速部分流泵整机非定常流动数值模拟

为研究高速部分流泵内部由于叶轮和蜗壳之间动静干涉作用引起的压力脉动的机理,采用计算流体动力学软件Fluent中的滑移网格技术,对该泵在3种工况下（0.5Q0,1.0Q0,1.5Q0）的整机进行非定常数值模拟,捕捉到3个不同时刻不同流量下的蜗壳区中间截面的静压分布图,并对蜗壳内壁面设置的9个监测点速度以及静压进行快速傅里叶变换,得到压力脉动的时域和频域图.模拟结果表明：在相同流量下,各流道内的静压随着时间改变不大;在同一时刻,随着流量的增大静压变大;压力脉动呈周期性变化,且随着流量的增大,幅值也增大;在0.5Q0的工况时,监测点4的幅值最大且振动最为剧烈;在设计工况和大流量时,监测点5的压力幅值最大,且各个监测点频域幅值随流量的增大而逐渐增大,这表明流量对高速部分流泵的振动有极大的影响,且喷嘴区域的振动最为严重.     

行星轮系水稻钵苗移栽机构正反求设计方法研究

为了解决现有行星轮系水稻钵苗移栽机构较难同时具备理想的移栽轨迹和姿态的问题,提出了正向设计与局部轨迹微调的反求设计相结合的设计方法。以非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构的设计为例,阐述该方法的实现过程。建立行星轮系水稻钵苗移栽机构设计要求,并分析其工作原理,在前期正向设计的基础上,局部调整其移栽静轨迹,通过反求设计进一步优化设计移栽机构。进行局部反求设计的运动学分析和运动学建模,基于Matlab平台开发计算机辅助设计软件,通过人机交互的方式得到移栽机构的机构参数,使其不仅满足移栽臂移栽的姿态要求,同时获得更理想的移栽工作轨迹。根据最终得到的机构参数设计移栽机构结构,完成三维建模、虚拟仿真试验,加工、装配移栽机构物理样机,完成了高速摄像运动学试验。将移栽机构理论计算、虚拟仿真、样机试验得到的移栽静轨迹比较,同时逐一将轨迹相关参数、取秧角、推秧角、角度差等设计目标参数与相应数值化目标进行对比,结果显示,均满足要求,验证了设计方法的正确性。与以往单一的正向设计、反求设计方法相比,该方法设计的移栽机构不仅具有更优的移栽工作轨迹,也可满足较好的移栽姿态要求。