指骨牵引与穿刺导向装置的设计及模拟试验

目的研制一种用于指骨骨折克氏针内固定的指骨牵引与穿刺导向装置,并设计模拟试验测试装置的穿刺精确性、安全性和使用便利性。方法针对当前指骨骨折克氏针内固定存在的穿刺精确性低、穿刺次数多及手术辐射性强等弊端,依据现存问题、手术需求和实际工况,结合医院指骨骨折案例,以模块化思路设计指骨牵引与穿刺导向装置。遵照手术流程,设计试验模拟装置的工作过程,初步验证其可靠性,为后续开展临床试验奠定基础。结果模拟试验结果显示,试制的指骨牵引与穿刺导向装置样机可进行手指前端的直针穿刺与手指两侧的交叉穿刺,适用于不同手指尺寸的患者,可辅助医师进行穿刺定位,节省1~2名医护人员,定位误差<1 mm。结论与传统指骨骨折克氏针内固定操作相比,指骨牵引与穿刺导向装置通过持续牵引及稳定的锁紧与精准的定位功能可辅助医师准确选择入针点和穿刺角度,提供克氏针穿刺导向通道,提高穿刺的稳定性,降低手术强度,并有助于减少对患者的二次伤害及手术过程中对医护人员的辐射。

3RSR型并联式天线样机研制与控制实验

针对传统方位-俯仰型天线存在“盲锥区”的问题,基于3-RSR并联机构开展并联式天线的结构设计,进行动力学仿真分析以确定电机所需驱动力矩,并研制出天线样机。以PC为上位机、STM32控制器为下位机搭建天线样机的运动控制硬件系统,并为其开发相应控制软件。最后,针对所研制的天线样机开展运动性能与指向测试,以验证结构设计与分析的正确性以及控制系统的有效性。该研究工作有益于少自由度并联机构在天线领域的应用以及并联式天线的产品化。

65m射电望远镜天线副面调整机构标定研究

结合65m天线副反射面位姿调整任务要求,研究天线副反射面调整机构的标定问题。制定出副面调整机构标定流程与方案,利用激光跟踪仪测量机构动平台位姿,根据运动参数的实测信息,由并联机构学理论构造误差函数,并以误差函数最小化为目标进行机构运动学参数辨识;开发完成标定算法,对副面调整机构进行运动学标定,求解获得满足预期精度要求的结构参数,并对机构参数进行补偿。面向工程实际任务开展标定研究,研究结果对并联机构真正应用于工程实践具有重要的指导意义。

可适径调整管道清淤机器人结构设计与运动分析

为了实现布局复杂的城市地下管道的清淤,提出了一种基于并联机构的履带式管道清淤机器人。采用折展调姿行走装置以减小机器人体积,采用基于3-US并联机构的工作装置以增大机器人的工作空间;编写了机器人工作空间算法,通过MATLAB软件仿真得到了行走装置和工作装置的工作范围及运动轨迹;采用ADAMS软件模拟了机器人运动状态,并对其驱动特性参数进行分析,得到了行走装置在不同运动状态下驱动力和驱动力矩的变化规律,以及工作装置在不同方向极限位置转换时的驱动力矩。仿真研究表明了行走装置折展调姿的稳定性及工作装置在各个清淤极限位置间转换的灵活性。研究结果对可适径调整管道清淤机器人的研制与应用具有指导意义。

3-P_CSS/S球面并联肩关节机构优化与仿生设计

以实现人体肩关节结构和功能仿生为目标,提出以3-PCSS/S(PC表示具有环形导轨的移动副,S为球面副)球面并联机构为仿生肩关节的原型机构,并针对其开展机构优化与仿生设计。将具有环形导轨的移动副PC等价为转动副,进行机构的位置反解并求解其运动雅可比。应用遗传算法,依据所确定的姿态工作空间约束条件,以机构姿态工作空间的点数为优化目标,对机构尺寸参数进行全局优化;提出偏置设计以扩大机构输出转角范围,提高肩关节的灵活度。研究工作对人形机器人肩关节实体仿生设计及其研制具有理论指导意义和工程应用价值。

双工位锂电池检测装置结构设计与控制系统开发

锂电池快速、准确检测是保证锂电池自动化生产线高效运行及锂电池使用安全的重要前提,因此提出了水平、竖直双工位锂电池检测方案,针对竖直双工位锂电池检测方案开发配套控制系统及操作软件。采用模块化思想设计锂电池检测装置机械结构,包括工作平台模块、送料模块、探针侦测模块和扫码模块;设计了以“PC+PLC”为架构的电气控制系统;开发了控制系统初始化模块、状态监测模块和运动控制模块等操作软件;制作了样机,并开展锂电池检测实验。相关研究工作为锂电池自动化检测提供了新思路。

3-RSR/SP并联车载天线机构运动及力学特性分析

提出了一种新型3-RSR/SP并联式车载天线机构,基于螺旋理论分析机构自由度,发现在不同状态下机构自由度可变;建立机构的静力平衡方程和变形协调方程,并绘制不同工况下机构各构件所受力与机构位姿之间关系曲线;与3-RSR并联机构进行对比,所提出的机构驱动力矩较小,验证了其中间支链具有静力卸载作用。考虑车载天线的实际工况,通过拉格朗日方程法分别建立机构在基座固定和基座运动两种情况下的动力学模型,并绘制与之相应的机构驱动力矩变化曲线,表明基座运动对驱动力矩影响较大。所提出的构型有助于拓宽并联机构在天线领域的应用,特性分析对后续样机研制具有一定参考价值。

含间隙RU-RPR解耦并联机构混沌与冲击现象

针对含间隙机构中的混沌与冲击现象,以自主提出的RU-RPR(R为转动副,U为虎克铰,P为移动副)两转动解耦并联机构为研究对象,考虑运动副间隙,结合Lankarani-Nikravesh接触力模型与拉格朗日方程建立间隙机构动力学模型,分析不同的驱动速度和摩擦因数对机构中混沌现象与冲击的影响,同时探讨机构的稳定性与冲击现象的关系,并分析增设弹簧对机构动力学特性的影响。研究结果表明,改变驱动速度与摩擦因数时,冲击现象仍然存在,而机构可以由混沌运动变为周期运动,稳定性增强;机构的稳定性与冲击现象并没有必然的联系,且增加弹簧可以显著的减弱机构中的冲击程度。

超静定并联式六维力传感器动力学

提出了一种新型的基于Stewart平台的超静定并联式六维力传感器结构,并对其进行了动力学理论分析和有限元仿真研究。描述了该传感器相对于经典Stewart平台六维力传感器所具有的结构特点;利用有限元法,采用位移协调和力平衡条件建立了传感器弹性动力学理论模型,依此模型进行数值分析,绘制了固有频率与各结构参数间变化关系曲线;并利用ANSYS软件建立了传感器有限元模型,进行了振动模态分析,得到其固有频率和振型。研究内容为深入开展六维力传感器的弹性动力学分析与综合及动态优化设计奠定了基础。

一种含间隙两转动一移动解耦并联机构混沌现象辨识

以自主提出的PU-RCRR-CRRR两转动一移动解耦并联机构为研究对象,针对虎克铰的运动副间隙,结合Lankarani-Nikravesh接触力模型与牛顿-欧拉法建立了机构动力学模型;分析了机构的动态响应,并通过Poincare映射以及最大李雅普诺夫指数对机构混沌现象予以辨识。研究结果表明,含间隙的两转动一移动解耦并联机构的动力学响应中确实存在混沌现象。

冲压自动线机器人与压力机动作协调及其运动仿真

对大型冲压自动化生产线(简称冲压自动线)中机器人与压力机动态配合方式进行了协调,开展了冲压自动线运动学仿真研究。规划了冲压自动线中ABB IRB 6660机器人的运动轨迹,设计了机器人与压力机的动态协调作业方案,并对其进行了优化;利用Solidworks和ADAMS软件建立了该生产线虚拟样机,实现了所设计的动作方案。运动仿真结果验证了动作方案的可行性和优化方案的有效性。该冲压线运动仿真有利于缩短生产线的设计及调试周期,对冲压线的整体设计及现场安装调试具有理论指导意义。

基于视觉定位的高铁自动上水装置设计与分析

针对传统人工上水逐渐难以适应高铁飞速发展的问题,提出一套基于视觉定位的高铁自动上水装置方案。首先,以更丰富的卷积特征(RCF)边缘检测算子为核心搭建高铁注水口外盖板视觉识别系统,依据功能需求划分各功能模块并进行相应结构设计;其次,基于ANSYS对关键部件开闭盖板机构进行静力学分析,探寻其最大应力与变形位置;最后,利用ADAMS对开闭盖板执行机构进行运动分析与振动响应分析,获得其动态特性参数。结果表明:所提出的方案具有良好的力学性能与动态特性,为提高上水效率进而实现高铁上水自动化提供了新思路。

新型过约束球面并联式关节机构仿生设计

以3-RRR三自由度球面并联机构为原型,在其静力学及刚度特性分析基础之上,从仿生学角度出发,采用植入中心球面副的方式,提出了两种改进的可应用于人形机器人肩关节、髋关节的过约束四支链仿生关节机构,并实现了静力全部或部分卸载及刚度均衡。对引入的机构中心球面副进行结构改进,大幅扩大了机构实际工作空间。新型仿生关节机构的提出及其结构设计对人形机器人关节的研制具有理论指导意义和实际应用价值。

新型两转动自由度完全解耦并联机构及其特性

针对并联机构内部耦合性给其运动学和动力学分析以及控制系统的开发带来的问题,提出一种新型的两自由度转动解耦并联机构.运用约束螺旋法对机构的自由度和运动特性进行分析,通过修正的Kutzbach-Grübler公式计算出机构自由度数目;利用各构件间几何关系,求解机构位置正反解解析表达式;根据机构输入与输出参数间关系式,推导得到机构雅可比矩阵,进而依据雅可比矩阵表达式,验证了机构的解耦特性,并进而讨论了驱动输入的选择对机构奇异的影响.提出的解耦并联机构丰富了机构构型库,对进一步应用具有理论指导意义.

球面并联式人形机器人髋关节机构运动学与仿生设计

从结构和功能仿生角度出发,提出球面并联式人形机器人髋关节机构,并针对其开展运动学分析与仿生设计。根据人体髋关节结构和运动特性,选取3-SPS/S(S为球面副,P为移动副)球面并联机构作为髋关节仿生原始构型;依据螺旋理论对髋关节原型机构自由度数目、性质及位置反解进行分析;采用遗传算法,以姿态工作空间最大化为目标对并联髋关节机构进行优化;结合人体髋关节实际结构特点,提出偏置输出方式,从而使得机构实际输出空间的形状和位置更加符合人体髋关节运动轨迹需求。研究内容为人形机器人髋关节仿生的理论研究和进一步的样机研制奠定了基础。

一种关节型串联机器人工作空间边界提取的新方法

利用杆件极限组合原理,结合定步距角法可固定关节变量的特点,提出一种提取工作空间边界的新方法——"极限定步距角法",阐明思路并给出其具体实施步骤。以某型ABB机器人为例,利用D-H法设定机器人连杆参数及关节变量,并建立机器人坐标系与D-H坐标系间的转换关系,获得机器人边界关键点位置,进而借助MATLAB软件绘制机器人手腕处三维透视工作空间,对比分析表明所获边界关键点精度完全满足商用机器人标准。所提出的方法简单有效、计算便捷、利于操作,对串联机器人工作空间的研究具有理论指导意义和实践应用价值。

一种含间隙并联机构动力学仿真与混沌响应分析

以自主提出的一种两转动一移动解耦并联机构为研究对象,考虑机构虎克铰中间隙,应用拉格朗日法建立机构动力学模型,根据Lankarani-Nikravesh接触力模型计算法向接触力,采用AMBROSIO提出的修正的Coulomb摩擦力法则计算切向接触力,并借助MATLAB软件予以数值求解;绘制机构相轨迹图,基于wolf法计算最大Lyapunov指数并据此定量判别机构的混沌运动,分析间隙对机构位移、速度、加速度及接触力的影响,并研究不同间隙大小及输入速度对机构混沌运动状态的影响。研究内容对机构进一步的动力学参数设计及混沌运动控制具有一定的指导意义。

球面并联机构功耗比评价指标及性能分析

运动过程中能耗传递效率较低是制约仿生机构应用于实际的主要问题之一。提出功耗比性能评价指标,并以两种三自由度球面并联机构——3PSS/S并联机构和3RRR并联机构为研究对象,建立其功耗比数学模型。设定运动姿态角范围,分别计算两并联机构理论功耗比,并绘制曲线图比较其功耗传递性能。开展3PSS/S并联机构功耗比实验,绘制实验功耗比曲线,并与理论分析所得曲线进行对比,以验证功耗比性能指标的合理性和实用性。

一种含间隙解耦并联机构动力学分析与混沌现象辨识

以自主提出的一种两转动解耦并联机构为研究对象,阐述机构结构组成,并针对其运动副存在间隙状况,建立含间隙机构动力学模型;基于ADAMS软件进行动力学仿真,并分析在有无运动副间隙、不同间隙和驱动速度下,机构位移、速度、加速度以及运动副接触力的变化;借助Poincare截面映射法对解耦并联机构动力学行为中的混沌现象予以辨识,绘制Poincare映射图,揭示间隙对机构动力学特性的影响。研究结果表明含间隙解耦并联机构存在混沌运动现象,对其更进一步的非线性动力学研究有一定指导意义。

3-SPS/S球面并联髋关节机构奇异位形与静力卸载分析

结合人体髋关节的实际结构与功能特性,选取3-SPS/S(S为球面副,P为移动副)球面并联机构作为仿生髋关节原型机构,求取机构运动学反解,建立奇异轨迹方程,绘制奇异轨迹曲线;运用矢量法建立机构各构件的静力平衡方程,通过数值算例绘制机构各支链受力随位姿变化曲线,分析中心支链卸载效果;借助Adams软件对机构进行仿真,以获取在预定运动轨迹下机构各分支铰链所受力随时间的变化曲线,从而进一步验证机构静力卸载功能。研究内容对人形机器人髋关节样机的研制与控制具有一定的理论指导意义。