多闭环厚板折展蜂窝机构的几何设计与性能分析

基于厚板折纸理论设计出一种单闭环空间折展机构,并用螺旋理论对机构的自由度进行了分析。引入Myard类型约束和Sarrus类型约束,提出将机构自由度降低为1的2种方法,对应得到M型和S型折展蜂窝单元。将2种折展蜂窝单元的运动特征与平面镶嵌原理相结合,构造出M型和S型折展蜂窝机构。研究了设计参数对机构折展率的影响规律,并以提高折展率为目标对机构的结构进行了优化。研究结果表明,M型折展蜂窝机构完全展开后可形成单侧平整的表面;S型折展蜂窝机构的折展率更大。

具有变泊松运动特性的剪叉式折展机构运动学分析

为提高折展机构的折展率和支撑性能,提出了一种具有变泊松运动特性的剪叉式折展机构并对其进行运动学分析。首先,提出了一种单闭环厚板支撑单元并将其应用于三明治结构,利用ANSYS Workbench软件分析不同形状夹芯层对三明治结构支撑刚度的影响,发现采用厚板支撑单元的三明治结构具有更好的支撑效果和更小的质量,且可通过改变结构设计参数来实现正负泊松比的切换。然后,根据泊松比的定义,设计了一种具有变泊松运动特性的正n边形剪叉式折展机构;基于螺旋理论,通过绘制闭环折展机构的旋量约束拓扑图分析得到其自由度为1,将折展机构分为3种模块并阐述了模块化纵向扩展的原理和过程。最后,建立了m层正n边形剪叉式折展机构的运动学模型并搭建了正四边形剪叉式折展支撑结构实物样机,进一步验证了机构的变泊松运动特性,这可为后续的研究提供理论基础。

空间连杆引纬机构的刚柔耦合磨损分析

为准确预测空间连杆引纬机构间隙磨损机制,通过结合Lankarani-Nikravesh与Bai碰撞力模型,建立可变刚度与阻尼系数非连续接触碰撞力模型,采用改进的Coulomb摩擦力模型描述含间隙机构旋转铰的切向摩擦力,通过Lagrange方法对系统动力学建模;其次选取空间连杆为柔性化对象,综合Ansys与Adams分析,对空间连杆引纬机构进行刚柔耦合动力学仿真;最后将系统的动态仿真响应结果与Archard模型相结合,求解运动副磨损情况。结果表明:柔性构件可以有效缓解机构间隙碰撞的冲击作用,间隙为0.15 mm条件下,剑头加速度振荡最大幅值缩减53.2%;当间隙升至0.5 mm后,虽磨损范围大幅增加,但间隙磨损深度并未随之大幅提升。

单驱动多模式变胞机械手运动学与静力学分析

为了以较少的驱动器实现对目标物体的精确抓取,将变胞机构与筝形直线机构相结合,设计出一种单驱动多抓取模式变胞机械手。机械手通过1个电动机驱动6个手指关节,具有线性平行抓取和自适应包络抓取两种工作模式。首先,基于最小阻力定律推导出变胞机械手不同构态下的等效机构,利用拓扑图描述和分析机械手各构态的拓扑结构变化,建立机械手不同构态下的运动学模型;其次,基于虚功原理建立机械手各指节接触力与输入力之间的关系,并以此为基础,分析弹性元件参数对包络抓取稳定性和各指节接触力的影响,对弹性元件的弹性系数进行优化设计;最后,通过数值计算与虚拟仿真相结合的方式验证所建静力学模型的正确性,为该型变胞机械手的设计和应用提供参考依据。

考虑多间隙关节和不确定参数机构的非线性动力学分析

以典型四杆机构为研究对象,利用蒙特卡洛算法模拟不确定几何参数与间隙大小的生成,建立含多间隙关节和不确定参数的四杆机构非线性动力学方程,提出一种考虑多间隙关节和不确定参数机构的非线性动力学分析方法。首先,研究了不同情况下间隙关节和不确定参数对机构运动精度的影响,并量化机构运动误差;然后,重点探究了不确定参数、曲柄转速、间隙尺寸和间隙位置对四杆机构分岔与混沌现象的影响。分析结果表明:由于间隙关节和不确定参数的影响,导致了机构运动精度的降低;同时,利用分岔图证明了系统分岔和混沌行为对曲柄转速、间隙尺寸的依赖和敏感性;曲柄转速与间隙尺寸的变化,是导致机构出现分岔与混沌行为的主要因素,不确定几何参数对机构整体分岔现象的影响有限。

描述变胞机构构态变换的关联矩阵法

基于变胞机构的变拓扑结构特性,提出了3种基本变胞过程:构件数目变化、运动副数目变化和连接方式变化,这些过程的组合使用可实现全部变胞要求。为了完整、简便、清晰地描述构态变换过程,提出运用含有运动副类型的关联矩阵及其逻辑运算对变胞过程进行描述,同时给出了构态变换方程的逻辑表达式和实现变胞过程的4种基本变胞矩阵。该方法能直观地描述出构态变换的过程和目的,变胞矩阵构造简便,与传统数学运算相比运算次数少,且变换过程中不需要对构件重新编号,有利于形成变胞机构计算机辅助设计方法。

并联式球面变胞机构及其完整雅可比矩阵

提出了一种球面变胞机构。该机构采用并联连接方式,由动平台、静平台、3个环形支链和1个中间变胞支链组成,通过变胞支链提供不同约束,机构可演变为正常构态和变胞构态两种机构形式。正常构态时,动平台相对静平台具有3个转动自由度,等效于3自由度球面机构;变胞构态时,动平台具有一个额外的径向移动自由度。以螺旋理论为基础,首先分析机构的自由度数目和性质;其次,构建机构的运动子矩阵和约束子矩阵,并将约束子矩阵和运动子矩阵联立,建立完整的6×6雅可比矩阵;最后,分析雅可比矩阵的秩,得到机构产生奇异位形的条件,研究奇异位形的类型,提出避免发生奇异的方法,为机构设计提供理论依据。

具有整周回转能力的3T1R并联机构运动学分析

设计了一种可实现整周回转运动且便于模块化装配的3T1R并联机构。首先,提出一种仅含转动副的二维移动放缩单元,模块化组合与扩展后,构造得到一种平面二维移动放缩机构,将平面二维移动放缩机构作为支链,设计得到一种新型3T1R并联机构;其次,对该3T1R机构进行拓扑结构分析,在保证机构基本功能(方位特征集和自由度)不变的情况下对其进行降耦设计,得到耦合度为1的机构;最后,基于序单开链法对降耦机构进行位置分析,同时,基于导出的机构位置反解公式,分析机构的工作空间和转动能力,并绘制转动能力图谱,根据转动能力图谱筛选出机构可实现整周回转运动的工作空间范围,为该型机构的设计和实际工程应用提供理论依据。

厚板三浦折展机构的几何设计与运动分析

空间折展机构与一般运动机构不同,其对构件的几何形貌有着严格的要求。基于厚板折纸理论构造出两种三浦厚板折展单元——Bennett机构单元和球面四杆机构单元,在保证机构可以从展开状态运动到收拢状态且不发生物理干涉的前提下,以折展单元可无限次叠加组网为设计目标,分析构件几何参数应满足的约束条件,阐述模块化组成大尺度厚板三浦折展机构的原理和过程,提出Bennett组网和混合组网两种模块扩展方式。通过建立Bennett扩展模块和球面扩展模块的运动学模型,验证两种厚板三浦折展机构的运动等价关系。研究不同几何参数对机构折展率的影响规律,提出一种根据给定折展率要求对机构进行优化设计的方法,为厚板三浦折展机构的运动特性分析和几何参数优化奠定了理论基础。

3PUS-S(P)变胞并联机构逆动力学分析

对单变胞支链型3PUS-S(P)球面变胞并联机构进行运动学和动力学分析。该机构由动平台、静平台、3个PUS支链和1个中间S(P)变胞支链组成。完全描述该机构动平台的位置和姿态需要6个变量,即动平台上一参考点的3个位移和动平台的3个转角。构态1时机构有3个转动自由度,动平台的6个位姿变量中只有3个变量是独立的;构态2时机构有1个额外的径向移动自由度,6个位姿变量中有4个变量是独立的。首先,推导该机构动平台的6个位姿参数之间的约束关系,基于矢量代数法,建立机构的运动学逆解模型;其次,运用牛顿-欧拉法建立该变胞机构的全构态逆动力学方程;最后,基于实物样机的几何参数与物理参数,在给定动平台运动规律和外力后,通过动力学方程求解得出机构所需驱动力、动平台所受约束力以及变胞过程中的附加作用力,所得仿真结果说明:3PUS-S(P)球面变胞并联机构在受到外界较大径向作用力时,可以通过激活中间变胞支链的移动副进行缓冲和能量吸收,从而避免机构受到损伤。

精确直线可展机构及其动力学分析

将Hart直线机构和剪叉机构相结合,提出一种仅含转动副的直线可展单元,并设计得到一种精确直线可展机构。根据机构结构学分析理论,阐述可展机构的模块化组成原理,将机构的组成分解为底部模块、中部模块和顶部模块,3种模块均由直线可展单元构成;对单个直线可展单元进行运动学建模,结合机构的模块化组成原理,推导得到任意模块间的运动学递推关系,求解得到多层模块条件下机构的整体运动学模型,运用Lagrange方程构建机构的整体动力学模型;以3层可展机构为例,对其进行动力学数值计算和虚拟仿真,验证所建运动学和动力学模型的正确性和有效性。通过给定末端执行器的输出运动规律,求解得到机构所需的驱动力矩,结果表明:末端执行器为正弦加速度曲线时,机构在整个工作周期内无冲击,运动稳定性好。

考虑碰撞的冗余串联机器人冲击运动分析与优化

根据操作环境和使用工况的不同,将碰撞问题划分为无约束碰撞问题和有约束碰撞问题,有约束碰撞问题又包括定点碰撞和动点碰撞。首先,基于Lagrange方程建立串联机器人系统的冲击动力学模型,并结合经典碰撞理论与恢复系数方程,推导了碰撞时系统的外部冲量求解模型。其次,针对无约束碰撞问题,在冲击动力学分析的基础上,建立了机器人发生碰撞时的冲击运动映射关系,提出了冲击运动映射矩阵的概念,并以此为基础构造机器人的冲击运动性能评价指标,用以评价系统在外部冲击作用下保持运动稳定性的能力。最后,分析定点碰撞和动点碰撞的已知条件,提出以碰撞时产生的外部冲量最小为目标,对机器人的碰前位姿进行优化,并以平面三连杆机器人为示例,分别进行无约束碰撞和有约束碰撞的冲击运动分析与优化设计。研究结果表明,机器人在处于或接近奇异位型时抵抗外部冲击的能力会显著降低,其结构参数对系统冲击运动性能有较大影响;通过对机器人的碰前位姿进行优化,可有效减小定点碰撞和动点碰撞时所产生的外部冲量,有利于提升系统运行的稳定性和安全性。

基于给定工作空间的球面变胞仿生关节机构优化设计

研究一种由静平台、动平台、3个环形支链和1个中间变胞支链组成的新型球面变胞仿生关节机构,该机构具有2个构态,即构态1(正常构态)和构态2(变胞构态)。通过中间支链的结构变换,可以实现构态切换。首先运用矢量代数法,建立机构运动学逆解模型,得到其速度映射模型和雅可比矩阵。其次,在逆解模型的基础上,研究机构工作空间与机构尺寸关系,根据分布规律对工作空间大小进行优化,确定预设工作空间。最后,根据承载力和刚度性能评价指标对给定工作空间下的机构进行尺寸优化设计,分别给出每种性能指标较好的尺寸范围,综合两种指标,得到机构最佳设计尺寸。

刚-柔性机械臂动力学建模及其动力学特性研究

根据假设模态法,对刚-柔性机械臂系统进行了位形表达及运动学分析.基于Kane方程,建立了刚-柔性机械臂系统的动力学模型.数值仿真结果表明,截取前二阶模态即可满足刚-柔性机械臂系统的精度要求;分析了柔性机械臂的结构参数、材料参数和驱动力矩对其动力学特性的影响.研究结果表明:通过采用矩形截面,采用较大弹性模量的材料,减小外部施加的驱动力矩,避免驱动力矩产生突变,可以有效地提高刚-柔性机械臂系统的动力学性能.

机械臂接触碰撞动力学分析

针对机械臂在运行过程中的接触碰撞问题,基于碰撞过程中产生冲量和高斯最小约束原理,提出了一种确定接触碰撞后系统状态量的分析方法。首先,利用Lagrange方程,建立机械臂系统的动力学模型,并以此为基础根据经典碰撞理论与恢复系数方程,推导得到碰撞时系统的外部碰撞冲量求解模型;该模型中碰撞点的速度与碰撞冲量之间是解耦的,有利于计算求解。其次,根据高斯最小约束原理和求解得到的接触碰撞前的系统状态量,运用求多变量函数极值的方法建立机械臂系统接触碰撞后瞬时速度求解方程式。最后,以平面三连杆机械臂为实例进行碰撞动力学建模与仿真,研究分析系统发生接触碰撞时所受到的外部碰撞冲量大小以及碰撞前后机械臂角速度和各关节转角的变化规律,求解得到了机械臂发生碰撞后保持原有运动规律不变时各关节所需施加的驱动力矩。研究表明:碰撞发生瞬时各关节将产生刚性冲击;碰撞后瞬时各杆将产生抖动;碰撞产生的冲量由远端关节向近端关节以递减的方式变化,所得结论可为机械臂冲击后的运动轨迹控制提供一定的理论依据。

旋转式多臂机提综机构动力学分析与优化

为提高旋转式多臂机的整体性能,对提综机构进行深入的动力学特性研究。首先,基于凸轮机构的解析法设计理论,结合织机开口工艺要求,设计出旋转式多臂机提综机构凸轮廓线,应用Lagrange方程建立机构的动力学模型,并对机构进行运动学分析;其次,建立机械系统动力学自动分析(ADAMS)虚拟样机模型,对比分析Mat Lab数值仿真和ADAMS虚拟仿真所求大圆盘驱动力矩的一致性,验证所建动力学模型的正确性和有效性;最后,依据所构建的动力学模型,分别就大圆盘转速、综框的材料及动程、凸轮廓线对大圆盘驱动力矩的影响进行仿真分析和优化。结果表明:减小综框质量和综框动程和采用五次项修正等速运动规律的提综凸轮廓线,均可减小大圆盘驱动力矩的波动幅值,改善提综机构整体动力学性能。

基于有限元法的高速平面凸轮机构动力学分析

基于有限元法,建立了凸轮机构的动力学模型。对该模型进行了运动学分析、并依据Kane方程建立了高速凸轮机构柔性构件的模态坐标下的动力学方程。利用该模型及模态坐标与物理坐标的转换关系,对某织机凸轮开口装置L形摆杆进行动力学仿真研究。计算得到的摆杆末端位移、速度和加速度响应曲线表明,有限元法是进行高速凸轮机构分析,尤其是非直杆和形状复杂从动件的高速凸轮机构动力学分析的一种有效方法。

高速织机中消极式开口凸轮的动力学设计

建立了高速织机中凸轮机构的动力学模型,并简化为单自由度弹性动力学模型;以凸轮轮廓曲线光滑无冲击为目标,构建凸轮开口机构动力学设计模型,进而推导出凸轮轮廓线设计方程.利用该方程对一个实例进行仿真设计,得出了凸轮轮廓设计曲线.得到的高次多项式曲线光滑而无冲击,满足凸轮高速运转时的动力学特性要求,验证了凸轮开口机构动力学设计模型的有效性和正确性.

刚-柔耦合机械臂动力学建模及其振动抑制研究

根据假设模态法,对刚-柔耦合机械臂系统进行运动学分析;基于Lagrange方程,建立刚-柔耦合机械臂系统的动力学模型;采用滑膜变结构控制方法对刚-柔性机械臂的振动控制进行仿真研究.结果表明:一阶模态下的动力学模型即可满足刚-柔性机械臂系统的精度要求,滑模变结构控制能够有效地减缓柔性末端的振动,提高机械臂系统的动力学性能和精度.

空间四连杆引纬机构刚柔耦合动力学分析与仿真

为更加准确地反映剑杆织机空间四连杆引纬机构在高速运转时的动力学性能,对其进行刚柔耦合动力学建模与仿真.首先,选取空间四连杆引纬机构中的十字摇轴为柔性体,在ANSYS中对其进行网格划分并生成中性文件.然后,将生成的中性文件导入到ADAMS中替换刚性十字摇轴,建立空间四连杆引纬机构刚柔耦合动力学模型并进行仿真.最后,将仿真生成的载荷文件添加到ANSYS中的十字摇轴上,对其进行瞬态动力学分析.结果表明:刚柔耦合动力学仿真与刚体动力学仿真相比,剑带位移和速度曲线整体趋势相同,但加速度曲线存在显著差异,即十字摇轴的柔性变形会直接影响剑杆的引纬准确性和稳定性,并且主轴转速越高,柔性变形对引纬动作影响越明显.基于ANSYS对十字摇轴进行动力学分析,得到十字摇轴所受应力最大点以及十字摇轴连接处节点的应变曲线.以上结果可为引纬机构的优化设计提供理论参考.