基于区间分析的一类三转动自由度并联机构的精度设计(邀请论文)

面向大型结构件调姿、天线跟踪及快速定位等应用需求,研究三转动自由度并联机构3-PSU&S的精度设计方法.首先,利用螺旋理论建立该机构的误差映射模型,并将影响机构末端姿态精度的几何误差分离为可补偿误差与不可补偿误差2类.其次,借助区间分析理论,提出不可补偿误差的灵敏度指标,并通过全域灵敏度分析揭示各项不可补偿误差对机构末端姿态精度的影响规律.然后,以灵敏度指标值为分配权重,建立各项不可补偿误差的优化分配模型,在给定精度约束下,借助遗传算法将难以实现的不可补偿误差的公差值松弛至最大可行区间.最后,通过蒙特卡洛仿真验证了所提出精度设计方法的有效性.

基于多体理论的数控机床精度逆设计方法

为使机床精度设计有定量的理论数值供参考，依据线性空间集合与映射的数学理论，以多体系统误差建模理论为基础，建立了机床几何误差综合作用时的产品加工质量近似模型。运用蒙特卡罗法对满足加工精度要求的产品进行关键参数数据抽样，从而依据近似模型逆向推导数控机床各轴几何精度。以螺旋锥齿轮铣齿机各轴精度逆设计为例，近似模型以显式的方式揭示了机床几何误差和齿面加工误差间的定量关系，可有效地依据齿轮精度要求逆向推导机床各轴几何精度。

3自由度冗余驱动下肢康复并联机构的运动学优化设计

研究了一种用于下肢康复的3自由度冗余驱动并联机构的概念设计和运动学优化.首先对该3自由度并联机构进行了简要介绍,然后推导了其运动学正逆解的解析解.基于螺旋理论,对该机构进行了广义雅可比分析,通过对4种非冗余驱动情形的力/运动传递性能分析,提出了一种用于评价该并联机构运动学性能的局部传递率指标.最后,借助于遗传算法,通过最大化局部传递率指标的全域平均值对该机构的设计变量进行了优化.运动学优化的结果表明,本文所提出的并联机构在其工作空间内具有较好的力/运动传递性能.

无理论刃形误差直齿插齿刀设计

为了提高插齿加工精度,提出一种无理论刃形误差插齿刀具设计方法。基于曲面共轭原理,根据待加工齿面和插齿加工运动特点,建立齿面共轭面的数学模型。前刀面选择球面形式,应用割线法求得共轭面和前刀面的交线,进而建立切削刃的数学模型。从刀具重新刃磨后仍能满足无理论刃形误差要求的角度出发,求取多条切削刃,利用所求得切削刃曲线构造后刀面,建立后刀面数学模型。插齿加工实验表明,采用无理论刃形误差直齿插齿刀加工工件,刀具重磨前后加工精度有较好的一致性,从而证明了该设计方法的正确性和可行性。

一类大转角两转动并联机构的构型分析与运动学优化设计

面向航空航天和仿生设计等领域对大转角两转动并联机构的应用需求,围绕一类新型两自由度转动并联机构--2-RRRR&2-RSR机构的构型分析与运动学优化设计问题展开研究.首先,以投影关系为基础分析2-RRRR&2-RSR并联机构在给定工作空间内实现两自由度转动运动所需满足的几何条件,并针对两种投影情况分析机构的参数特解.其次,基于闭环矢量法求解2-RRRR&2-RSR并联机构的位置逆解,推导机构驱动角度与动平台姿态角之间的映射关系,继而利用RRRR支链与RSR支链的运动特点,获得机构动平台姿态角的正解模型.以此为基础,借助螺旋理论建立2-RRRR&2-RSR并联机构的速度映射模型,构建机构的广义雅可比矩阵,并通过软件仿真验证机构位置正、逆解及速度映射模型的有效性.再次,根据2-RRRR&2-RSR并联机构的运动特性,以奇异性、铰链许用转角范围、连杆安全距离为约束条件,借助极限边界搜索法求解机构动平台中心点的位置工作空间,进而对应位置工作空间等效获得机构的转角工作空间.最后,借助螺旋理论中运动与力的互易积的物理含义定义可描述2-RRRR&2-RSR机构瞬时功率传递特性的无量纲运动学性能评价指标,并结合工程实际需求设定机构的约束条件,实现机构的尺度参数的运动学优化设计.研究成果可为大工作空间两自由度转动并联机构的样机设计与控制策略制定奠定理论基础.

单自由度可调下肢康复机器人机构优化设计

为帮助下肢功能障碍患者完成步态康复训练,设计了一种新型下肢康复机器人机构,提出了机构尺度优化综合方法.首先,以一个两自由度平面五杆机构为基本机构,通过逆运动学分析建立五杆机构两个输入之间的函数关系,并以曲柄匀速转动为优化目标进行机构尺度综合;然后,在此机构的基础上引入一凸轮-连杆函数生成机构,通过逆运动学分析与机构尺度综合求解并优化凸轮廓线,实现了五杆机构两个输入之间的函数关系,并减少了机构自由度;最后,在此基础上引入一缩放机构,实现机构轨迹可调.以运动捕捉实验获取的正常人体步态轨迹为目标轨迹,进行机构优化设计,结果表明:优化所得机构在匀速电机驱动下能够很好地模拟正常人体步态轨迹与髋、膝关节运动规律,从而验证了机构与优化方法的有效性.

基于免疫算法的全断面岩石掘进机刀盘滚刀布局设计理论研究

全断面岩石隧道掘进机(TBM)刀盘滚刀布局对掘进性能有显著影响。文中针对滚刀受力与刀盘滚刀布局方法进行分析,针对刀盘径向载荷最小、刀盘倾覆力矩最小、质量分布均匀、破岩差异量最小4个优化目标进行层次分析法加权统一,建立了刀盘滚刀布局优化模型,采用具有非退化优势的免疫算法对刀盘滚刀布局进行了优化设计。以大伙房隧道的刀盘模型为工程实例,利用刀盘滚刀布局优化模型对MB264-311TBM型掘进机滚刀的优化布置进行了实践,针对米字型、螺旋线型破岩协调耦合布局及不具有耦合关系的随机型滚刀布局分别进行优化计算,优化效果显著。其中,随机型滚刀布置的优化结果明显减小了刀盘径向载荷与倾覆力矩,优化程度高达91.475%,提出基于随机型滚刀布局方式的TBM刀盘布局设计新理论。在兼顾刀盘的非性能指标约束条件下,该布局理论对于提升滚刀破岩效率、提高刀盘刀具的使用寿命具有重要的工程应用价值。

面向骨折手术的三支链六自由度并联机构设计

随着微创技术和生物学固定技术的发展,创伤骨折手术中愈加需要术中精准定位,以确保内固定物能够精确和微创地固定骨折断端.其中,利用六自由度并联机构进行骨折断端的复位和固定是实现微创精准骨折手术的重要手段,也是未来骨折手术的发展趋势.现有的由6条支链构成的六自由度并联机构存在质量大、医学影像设备扫描后伪影严重等系列问题,提出和设计少支链六自由度并联机构成为研究热点.本文借助有限旋量理论构型综合出一类三支链六自由度并联机构,并进行了其拓扑结构和运动学性能设计.首先,利用有限旋量描述六自由度并联机构及其支链末端的运动,通过有限旋量理论的结合定律和交换定律获得可行支链的标准型和衍生型,通过定义支链装配条件和配置驱动关节,综合出一类三支链六自由度并联机构;然后,定义了优选准则,借助瞬时旋量理论对优选出的5种三支链六自由度并联机构进行了位置逆解、工作空间和速度分析;最后,以运动/力传递率在给定工作空间内的均值与方差为目标函数,考虑并联机构的拓扑结构对运动学性能的影响因素,开展了三支链六自由度并联机构的拓扑结构与运动学性能的一体化设计.上述工作为后续三支链六自由度并联机构的物理样机建造与实验研究提供了理论基础.

无理论刃形误差插齿刀设计方法

针对现行插齿刀存在的理论齿形误差,以及刃磨后加工精度一致性差的问题,提出了一种无理论刃形误差的渐开线齿轮插齿刀设计方法。依据齿轮啮合原理,建立了虚拟齿轮齿面的数学模型;采用球面作为前刀面,建立能够同时满足直齿及斜齿插齿刀设计要求的前刀面数学模型;通过虚拟齿轮齿面与前刀面求交,获得无理论刃形误差的切削刃;为保证刃磨后加工精度的一致性,以多条无理论刃形误差切削刃构造插齿刀后刀面;最后用设计实例证明了该设计方法的可行性和优越性。

连杆式差动平衡机构构型综合与优化设计

平衡摇臂悬架主要应用于移动机器人中用以提高其地形适应能力和运动稳定性,差动平衡机构是平衡摇臂悬架的重要组成部分,齿轮式和连杆式是其中应用较为广泛的两类,其中连杆式由于不占用机身内部空间、便于拆卸的特点,独具优势.现有连杆式差动平衡机构多源于空间RSSR机构,存在构型单一、布置不合理、机构运动特征描述模糊的问题.针对上述问题,总结了连杆式差动平衡机构的运动特征,概括了其实现运动功能的基本条件,将机构的构型综合简化为对单侧单自由度单环机构的综合.利用螺旋理论,分析了机构运动螺旋与约束螺旋间满足的几何关系,并根据机构公共约束数量及类型的不同对仅含有R副的机构进行构型综合.面向实际应用场景,从结构复杂度、布置方式对机器人运动的影响程度以及制造和装配难度等方面比较分析,进行构型优选.对典型的RxRxURzRz机构进行运动学建模,分析得到机构的位置正逆解并讨论了机构的奇异位型.以机构的运动/力传递性能为评价指标,利用螺旋理论建立机构的运动学性能评价模型,对机构的尺度参数进行优化设计.建立基于连杆式差动平衡机构的移动机器人虚拟样机模型,利用ADAMS对其在复杂非对称地形的运动进行仿真分析,结果显示移动机器人具有良好的地形适应能力和运动稳定性,验证了机构功能的有效性.

3-PSU&S并联机构的运动学分析与优化设计

面向卫星天线定位/跟踪重要需求,研究3转动自由度并联机构3-PSU&S的运动学设计问题。应用闭环矢量法建立机构位置逆解模型,并推导关节空间与操作空间的速度映射模型。借助力螺旋与运动螺旋的互易积定义机构功率传递系数,并以其在工作空间内的均值作为机构运动学性能评价指标。以上述评价指标最大化为目标,涉及相关的几何、工程约束,采用遗传算法实现3-PSU&S机构的尺度综合。该研究成果可为3-PSU&S并联机构样机的设计和制造奠定理论和技术基础。

肘关节康复机器人机构设计及其运动学分析

现有研究中针对肘关节康复运动的机构设计几乎均采用串联机构作为机构本体,普遍存在精度低、运动惯性大、容易造成肘部肌肉的损伤等问题。鉴于此,本文设计了一种可实现肘关节二自由度康复运动的(2-PRR-S)R-PRCR并联机器人机构;并使用旋量理论验证了机构的自由度特性。利用空间几何分析法推导出机构位置逆解与位置正解表达式;进而给出了机构的雅克比矩阵,然后结合雅克比矩阵分析了机构的奇异位形。依据机构的约束条件,确定了机构的初始姿态工作空间;以最大化姿态工作空间为优化目标,并采用遗产算法对机构进行了尺度优化。基于人体肌肉运动机理,分析了肘关节康复运动时的训练效果,验证了所设计的并联机构的适用性,为后续肘关节康复训练策略的研究奠定了基础。

一种平面闭链腿式机构的尺度参数优化设计

以Theo Jansen机构输出的足端轨迹为目标,对一种新型平面闭链腿式机构的尺度参数进行优化。利用基本杆组法建立了该新型机构的运动学模型,根据新型机构和Theo Jansen机构的结构特点,利用曲柄摇杆机构的极限位置条件,将设计变量数目减少为一个;以两机构的足端轨迹偏差最小为目标,以各尺度参数间的几何关系为约束,建立了单目标优化问题,并利用一维搜索法得到优化结果。在此基础上,设计了一种八足移动机器人并搭建实验样机,验证了设计结果的可行性。

基于圆柱螺线法的偏置机构控制算法仿真及实验研究

偏置机构芯轴偏心位移的精确控制是实现导向钻进的核心问题.针对一种新型静态指向式偏置机构,首先介绍了其结构组成以及轨迹控制原理;其次,建立基于圆柱螺线法的井眼轨迹控制算法数学模型,并以三维多目标井眼轨迹为例,讨论了如何通过该机构实现井眼轨迹的控制,并基于SolidWorks和ADAMS进行机构虚拟模型的建立和运动仿真,得到偏置机构运动情况曲线;最后,建立基于LabVIEW的实验平台对偏置机构样机的导向性能进行验证.通过仿真结果、实验值和理论值的比较,确定该算法产生较好的控制效果,证明了实现机构导向控制的可行性,从而为旋转导向钻井工具实际轨迹控制算法设计与优化奠定理论基础.

软体弯曲驱动器设计与建模

与传统的"刚性"机器人相比,基于仿生学启发的软体机器人由于其与生俱来的柔顺性和安全性受到广泛关注。然而,此类软体机器人驱动器的设计与控制目前仍缺少理论指导。针对这些问题,设计了一种由气压驱动的可实现弯曲运动的新型软体驱动器,在系统分析其结构和弯曲原理的基础上,利用几何方法和虚功原理建立了其数学模型,并且通过有限元模型和原理样机实验验证了数学模型的有效性,为软体机器人驱动器的优化设计和控制提供了依据。

基于功能分析的新型装载机构型综合研究

传统的机械式工程机械采用单自由度机构,所能完成的动作单一,动作轨迹不能变化;液压式工程机械可以灵活地执行各种工程动作,但其液压系统零部件的精度要求和成本高、可靠性不理想、易漏油、传动效率低等不足。这个棘手问题长期未能有效解决。将变胞机构和多自由度可控机构应用于工程机械等领域,可克服现在的机械式和液压式工程机械的各自不足,既能像液压式工程机械那样变化运动轨迹、执行各种动作,又没有液压系统的缺陷,具有良好的应用前景。研究这类新型机构的型综合问题,针对现有典型装载机产品的特点,采用工作机理的动作表达方法,将液压式装载机的工作机理作为依据和出发点,把其转化为工艺动作过程。结合变胞机构、可控机构、及并联机构等有关研究成果,综合应用构型演化法、基于螺旋理论的约束综合法等机构创新设计理论和方法,在功能分析的基础上完成了装载机新型执行机构的概念设计。获得了一批新型多自由度可控机构式装载机构构型,包括具有变胞功能的可控机构式装载机构构型,并由试验验证了多自由度可控机构用于装载机等工程机械的可行性,为这类机构的应用提供了一定的参考。

基于激光跟踪仪的Delta并联机构运动学误差标定

以Delta并联机构为研究对象,建立了Delta并联机构的运动学误差模型,对影响其末端精度的几何误差源进行了分析,并指出这些几何误差源可简化为18项.以激光跟踪仪作为测量工具,提出一种步进迭代的误差参数辨识方法,该方法利用Delta并联机构操作空间与关节空间之间的映射关系,通过优化多个检测点相互之间的理论距离与实际距离的残差,计算出Delta并联机构的各项几何误差参数,进而修正Delta并联机构的运动学模型,标定后机构末端精度由1.0,mm数量级提高至0.1,mm数量级,实验结果表明了文中所述方法的有效性和普遍性.

RV传动机构精度分析

以一类含渐开线和摆线的二级封闭式行星传动机构即RV(rotate vector)机构为对象,基于作用线增量原理,应用误差分析的传递矩阵法,研究了机构中各构件的原始误差在整个传动过程中对机构输出转角误差的影响规律,建立了适用于该机构精度分析的误差模型.该模型建立了各构件原始误差与机构输出误差的解析对应关系,揭示了机构中共用构件(曲柄轴等)的误差传递过程,以及由于固连输出盘与系杆导致的机构反馈误差与各构件原始误差的耦合关系,为该类机构的精度分析与设计提供了可靠的理论依据.最后,以RV320S型减速器为例,进行实例验算.结果表明,对机构输出转角误差影响最大的是输出盘上曲柄轴孔偏心误差,其次是摆线轮齿廓误差;机构的反馈误差对于高精密RV传动系统也不应忽视.

具有变胞功能的电动装载机构构态进化拓扑结构分析与基因建模

变胞机构是一类具有多功能阶段变化、多拓扑结构变化、多自由度变化等特征的机构。将其应用于装载机研究发明的新型电动装载机构,可按不同阶段的工作需求改变其执行机构的拓扑结构,只需一台驱动电动机就能完成传统两自由度液压装载机铲装、翻转、抬升、卸料等工作任务。采用电动机驱动、连杆传动的方式,能有效克服液压系统零部件加工装配要求高、维护保养困难、易产生漏油等缺点;且电动机均安装在机架上,避免了传统串联式机械手的驱动电动机大都安装在铰链处,导致的刚性差、惯量大等问题。介绍变胞装载机构的变胞源机构以及实现变胞功能的几何变胞方法,利用邻接矩阵和拓扑图描述了各工况对应的子工作阶段机构的拓扑结构变化,分析其工作原理和构态转化特点,得到机构构态演变过程的生物学进化特性。针对机构的结构和连接特点,研究变胞进化生长过程中构型的转化方式和蜕化方法,对各个构型单元分别进行进化计算,得到变胞源机构的基因模型表达式。

音圈电机驱动的柔性定位平台设计与控制

设计了一种二自由度柔性微定位平台,该平台主要由音圈电机和柔性铰链机构等组成.采用直角柔性铰链组成的双平行四杆机构对称安置,以实现平台的大行程和运动解耦,工作行程可达2,mm以上,定位精度可达纳米级.设计空间支撑机构保证其承载能力.对微定位平台进行了结构设计和承载能力等特性分析.考虑到该定位平台动态行为的特点,采用遗传算法优化的BP神经网络组合辨识方法对系统模型进行了辨识,克服了神经网络对复杂系统动态行为辨识存在的缺陷.基于神经网络PID复合逆控制方法对微定位平台进行控制,通过实验对辨识和控制方法进行了验证,结果表明遗传算法优化的神经网络辨识方法与神经网络PID复合逆控制方法适用于该音圈电机驱动的柔性微定位平台系统的实际应用.