基于多体动力学特性的机械手时间最优轨迹规划

基于系统动力学模型,针对2点间获取具有最优工作时间负载轨迹问题进行了系统研究。考虑到机械手本身构型特点及动力学模型的完备性与通用性,以多体动力学理论为指导,建立在罗德里格公式定义的系统构件旋转矩阵和Chales定理基础上,采用拉格朗日原理构建系统动力学模型。进而采用线性迭代法(Iterative linear programming,ILP)与系统动力学方程修正相结合的方法,并以一维时间搜索法获取系统最优工作周期。最后针对一3自由度空间机械手进行工作周期优化仿真,并对仿真结果进行分析。

轮式移动单杆柔性机械手逆动力学研究与仿真

针对轮式单杆平面柔性移动机械手逆动力学问题进行系统研究。建立在欧拉—伯努力梁理论基础上,采用铰接—自由端边界条件,并引用Hermit插值函数作为单元形函数对柔性机械手进行有限元离散。综合利用虚功原理和牛顿—欧拉方程并在机械手体坐标系下,以矩阵、矢量简洁的形式构建该移动柔性机械手系统的完整逆动力学模型。在频域下,求解系统驱动力(矩)和弹性构型变量。该方法适用于对移动柔性轻质机械手末端执行器有高精度定位要求的动力学研究,并对系统开环控制和闭环控制的策略构建有着重要参考意义。

轮式悬架移动2连杆柔性机械手动力学研究与仿真

对轮式悬架2连杆柔性移动机械手(平面)进行了系统的动力学研究。该轮式移动机械手由带有弹性-阻尼悬架系统的移动载体和柔性机械手所组成,并假定移动载体以恒速通过不规则路面。采用经典瑞利-里兹(Rayleigh-Ritz)法和浮动坐标法描述机械手弹性变形与参考运动间的动力学耦合问题,综合利用拉格朗日原理和牛顿-欧拉方程并在笛卡尔坐标系下,以矩阵、矢量简洁的形式构建了该移动柔性机械手系统的完整动力学模型。最后采用数值的方法给出了该动力学模型正解的仿真结果。通过与刚体模型、刚柔混合模型仿真结果的比较,证实了该柔体系统存在动力学耦合现象。

4自由度轮式悬架移动机械手动力学研究与仿真

针对4自由度轮式悬架移动机械手(平面)动力学问题进行了系统研究。该轮式移动机械手由2自由度线弹性-阻尼悬架系统的移动载体和2自由度机械手所组成,并假定移动载体以恒速通过不规则路面(路面以正弦函数描述)。综合利用拉格朗日原理和牛顿-欧拉方程,并采用Cartesian坐标,建立了该轮式移动机械手系统的完整动力学模型(正、逆动力学模型)。该动力学模型综合考虑了由路面和悬架对整体系统动力学的耦合影响,最后采用数值的方法分别给出了考虑悬架与不考虑悬架工况的该动力学模型逆解的仿真结果。该模型为后续系统控制策略的选取提供了相应的理论依据。同时该动力学模型由于采用Cartesian坐标,致使该动力学模型的推导具有通用性,为移动机械手动力学研究提供了相应借鉴。

七自由度柔性轮式移动机械手动力学研究与仿真

对七自由度柔性轮式移动机械手(平面)动力学问题进行了系统研究。该柔性轮式移动机械手由具有二自由度线弹性-阻尼悬架系统的移动载体和五自由度柔性机械手所组成,并假定移动载体以恒速通过不规则路面(路面以正弦函数描述)。综合利用拉格朗日原理和牛顿-欧拉方程,并采用笛卡儿坐标,以矩阵、矢量形式构建了该柔性轮式移动机械手系统的完整动力学模型。该动力学模型综合考虑了机械手的弹性变形(率)和悬架对整体系统动力学的耦合影响,采用数值方法给出了该动力学模型正解的仿真结果。通过与刚体模型(假定弹性变量为0)仿真结果的比较,证实了该柔体系统存在动力学耦合现象。

基于多体动力学的轮式悬架移动刚-柔并联机械手动力学性能研究

考虑到移动串联机械手不能很好地满足高速、大负载工况下准确作业的要求,提出了轮式悬架柔性移动并联机械手这一新的构型,并对其进行了动力学性能研究。基于多柔性体动力学,在笛卡尔坐标下构建了系统动力学模型,建模方法具有通用性与完备性。在此基础上,分别针对串联、并联、刚性、柔性四类移动机械手的动力学模型进行了数值仿真,并对仿真结果进行了比较、分析,验证了建模方法的正确性并佐证了新构型移动机械手的动力学性能特点,提出了提高柔性并联机械手的工作速度、刚度和工作精度的技术方法,为后续控制算法的构建提供了理论基础。

下肢膝关节外骨骼仿生机构运动学研究

针对人体下肢行走时可分为摆动相与承载相的运动承载特征,提出具有运动包容性与承载有效性的下肢膝关节外骨骼仿生欠驱动五杆机构研究原型,运用闭环矢量法对其构建系统运动学模型,在此基础上得到系统速度雅可比矩阵,进而提出一种评价该仿生机构的全局性工作空间灵巧度的新型综合评价指标,并以此为优化目标。在MATLAB 9.0平台上,开展基于运动学模型的系统结构参数数值优化仿真,并结合UG NX 12.0虚拟样机仿真平台,进行仿真结果数据比对,通过误差分析验证了运动学建模的正确性,进而进行数据深入分析,结果表明:优化后的仿生机构相对人体膝关节运动空间而言,具有良好的仿生灵巧包容性,亦表明基于新型综合评价指标下的结构参数优化方法的有效性。

基于多体动力学的轮式悬架移动并联机械手动力学性能研究

考虑到移动串联机械手不能很好地满足高速、大负载、准确作业的性能要求,提出了一种新颖的轮式悬架移动并联机械手构型。为实现建模的通用性与完备性,基于多体动力学,在笛卡尔坐标下构建了系统逆动力学模型,并据此分别对移动串联机械手和移动并联机械手进行了逆动力学数值仿真,以验证建模方法的正确性和新构型移动机械手的动力学性能。仿真结果的比较、分析表明,与串联构型相比,移动并联机械手的系统刚度有所提高,且不必增大能耗为代价;电机驱动力矩有所降低,有利于电机的选型和控制策略的制定。

可用于载人/物绿色爬楼装置爬行系统优化设计

针对国内外爬楼装置存在的结构复杂、系统稳定性与安全性差等问题,提出了一款可用于载人/物绿色的爬楼装置研究原型,进而围绕装置爬楼的平稳性、安全性、高效性、驱动自适应性等关键问题开展优化研究工作。通过SOLIDWORKS进行了整体结构模块化设计;在ANSYS中对系统的关键零部件进行了有限元分析与有效力学结构优化;利用SOLIDWORKS Motion插件实现了爬楼过程中质心运动轨迹稳定性仿真。分析结果验证了该装置爬行系统的合理有效性。

3-RRRT并联机器人工作空间与灵巧度的分析

旨在研究和分析3-RRRT并联机器人的工作空间和灵巧度。运用了齐次坐标系法对3-RRRT并联机器人机构进行了分析,给出属于工作空间点的判别条件,并进行了数值仿真;给出了 3-RRRT并联机器人灵巧度的计算公式,并进行了数值仿真。

基于膝关节外骨骼张弛穿戴系统的动力学性能优化

旨在提高下肢外骨骼的穿戴舒适性与承载有效性,设计了一种新型超越离合器驱动的张弛穿戴系统研究原型,深入开展该系统仿生工作机理的阐述及其动力学性能的优化研究。首先,鉴于下肢外骨骼人-机穿戴接触压力构造的复杂性以及相关材料力学参数的非线性,建立以超越离合器驱动单元为主体的外骨骼张弛系统等效模型,并进行刚柔耦合动力学仿真。其次,基于Ansys workbench的DesignXplorer平台,以超越离合器棘轮厚度和棘轮质心平面与轮盘质心平面间的距离等要素为优化参数,以弹簧节点的最大加速度数值、弹簧节点的最大速度数值和棘轮棘爪接触处的最大应力为优化目标,对该系统展开结构设计优化。最后,通过仿真优化前后数据对比,佐证了优化后张弛穿戴系统具有较好的动力学性能及所采用研究方法合理有效,为后续外骨骼人-机并联张弛穿戴系统的承载舒适性研究与详细设计提供理论基础。

基于有限元法的移动2杆柔体机械手动力学仿真

研究了移动2杆柔体机械手动力学问题。该移动机械手由弹性-阻尼悬架轮式移动载体和2杆柔体机械手组成,并假定移动载体以恒线速度通过不规则路面。综合采用经典有限元法并引入中间单元坐标系和浮动坐标法,以回避由单元刚体运动所导致的弹性构件非零应变,从而精确描述机械手弹性变形与参考运动间的动力学耦合问题。综合利用拉格朗日原理和牛顿-欧拉方程并在笛卡儿坐标系下,以简洁的矩阵、矢量形式构建了该系统的完整动力学模型。采用数值方法给出了该动力学模型正解的仿真结果。通过与刚-柔体模型、刚体模型仿真结果的比较,证实该柔体系统存在动力学耦合现象及构件弹性振动对系统性能有负面影响。

6自由度轮式悬架柔性单杆移动机械手动力学研究与仿真

针对6自由度轮式悬架柔性单杆移动机械手(平面)动力学问题进行了系统研究。该轮式悬架柔性单杆移动机械手由2自由度线弹性-阻尼悬架系统的移动载体和4自由度柔性机械手所组成,并假定移动载体以恒速通过不规则路面(路面以正弦函数描述)。综合利用拉格朗日原理和牛顿-欧拉方程,并采用浮动坐标法,以矩阵、矢量简洁的形式构建了该轮式悬架柔性单杆移动机械手系统的完整动力学模型。该动力学模型综合考虑了机械手的弹性变形(率)和悬架对整体系统动力学的耦合影响,最后采用数值的方法给出了该动力学模型正解的仿真结果。通过与刚体模型(假定弹性变量为0)仿真结果比较,证实了该柔体系统存在动力学耦合现象。

轮式移动2杆刚-柔性机械手逆动力学仿真

针对轮式2杆刚-柔平面移动机械手逆动力学问题进行了系统研究。采用Pin-free边界条件,对机械手柔性构件进行了离散,采用有限元法分别构建了该移动机械手系统的完整正、逆动力学模型。在频域下,求解了系统驱动力(矩)和弹性构型变量,并在时域内对驱动力矩进行了修正,并对修正力矩和构型变量进行了累计误差分析。为了验证建模方法的有效,进行了大量数值仿真工作,仿真结果显示了其有效性和可行性。

机械手动力学建模与负载轨迹优化研究

对机械手动力学模型和两点间系统最大负载轨迹优化问题进行了研究。具体以多体动力学为基础,根据Chasles定理采用罗德里格公式(Rodriguez formula)定义了系统构件旋转矩阵,进而采用拉格朗日原理构建了系统动力学模型,以此为基础,采用线性迭代(ILP)法获取了机械手可以实现的最大负载工况下的优化轨迹,并采用系统动力学方程校证了ILP法的有效性与正确性。最后,对三自由度空间机械手进行了最大负载轨迹优化仿真,并对仿真结果进行了分析。

2杆轮式悬架移动刚体机械手动力学瞬态稳定性研究与仿真

研究了2杆轮式悬架移动刚体机械手（平面）在其末端执行器跟踪给定轨迹工况下的动力学瞬态稳定性。在进行系统动力学模型分析的基础上，综合考虑了轮胎与路面作用力，给出了系统瞬态动力学稳定性评价准则，并进行了数值仿真，仿真结果真实反映了系统在执行任务时动力学瞬态稳定性分布情况及悬架对系统整体稳定性的影响。该准则适用于移动机械手轨迹跟踪工况下的稳定性评价，或以该准则为约束条件，进行系统多目标优化。

3-RRRT并联机器人位置分析

本文旨在研究和分析3 RRRT并联机器人位置的正、反解问题.运用了齐次坐标系法和空间矢量法对3 RRRT并联机器人机构进行了分析,用解析的方法给出了该并联机器人的8组位置反解,采用数值方法给出了该并联机器人的位置正解.并基于I deas系统下的实体模型,应用MATLAB语言及其优化工具箱,实例验证了该数学模型的正确性.

3-RRRT并联机器人奇异位形分析

研究和分析3 RRRT并联机器人的奇异位形,运用齐次坐标系法对3 RRRT并联机器人机构进行了分析,采用瞬时速度法,给出该并联机器人的奇异判别矩阵;采用运动影响系数法给出该并联机器人的Jacobian逆矩阵,并进行数值仿真.

基于关节支反力的移动并联机械手动力学性能验证研究

提出一种用于验证移动并联机械手动力学建模及数值仿真正确性与有效性的方法。该方法先将移动并联系统某处运动副打开,用关节支反力替代运动副约束,从而形成移动双串联机械手,并以多体动力学理论为指导,在笛卡尔坐标系下分别进行移动并联、双串联机械手动力学建模,采用加权初值法对移动双串联机械手系统进行数值仿真。最后通过对移动并联、双串联机械手动力学数值仿真比较,验证系统动力学模型构建和数值仿真的正确性和有效性。

机械传动性能实验台原型优化设计

机械传动性能实验台是用于机械传动装置系统性能测试的实验设备。传统设备由于缺乏工业设计,产品的整体操作性、人机交互性、美观性较差。为改善产品的整机性能,运用现代设计方法,提出了改进设计的思路,结合用户实验过程,对产品的功能、结构、造型、使用方式、人机操作界面及细节进行了优化设计,建立了产品的三维数字模型,为相关实验仪器的设计研发提供参考。