并联Roberts柔性机构及其微定位平台的结构与位移分析

分析了平行四杆柔性机构与并联Roberts柔性机构的伪刚体模型,并对其耦合位移进行了定性比较;利用闭环矢量法确定了Roberts机构特征点位置;建立了考虑轴漂的位移计算模型,与有限元仿真值相比该模型的最大相对误差仅为2.43%;将对称布置的并联Roberts柔铰机构应用于微定位平台,提出了一种3-PRR微动平台新结构,利用功能转化原理建立了整体机构的输入输出关系矩阵,并与试验结果作了对比,结果表明绕z轴转角的最大误差为5.60%。

含多关节间隙平面柔性六杆机构的动力学分析

为提高机构的动力学分析精度,基于平面六杆机构,同时考虑多个关节间隙与构件柔性对多体机构动力学响应的影响。通过实体建模和引用ADAMS软件中“冲击函数”接触力模型,对含有多个间隙关节与柔性连杆的六杆机构进行动力学模拟仿真,研究间隙数量、间隙位置、间隙大小、柔性连杆及其与间隙耦合对系统动力学性能影响。研究结果表明:与单关节间隙相比,多关节间隙会产生更大的接触力,导致构件的加速度波动更加剧烈;间隙关节距离电机位置越近,则对机构的动力学行为影响越明显;考虑连杆柔性时,可以极大地降低间隙对机构动力学波动的影响。

纳弧度级柔性角位移调节机构的优化设计

针对同步辐射中纳弧度级角位移调节的需求,优化设计并研制出一套冗余并联式柔性铰链转动装置。分析了柔性机构的运动学机理,利用虚位移原理推导出机构的整体静态转动刚度,研究其特性及铰链各参数对其影响。根据拉格朗日方程建立其动力学模型,推导出机构在运动方向的固有频率。建立数学优化模型,进行了机构静态和动态的双目标优化设计,采用基因遗传算法对带有非线性约束条件的目标函数优化求解。利用有限元方法对优化后的机构进行了模态分析,研究了柔性机构的前四阶固有频率和振型。制作出高精度的柔性铰链机构,设计搭建转动调节装置进行实验测试。测试结果表明:柔性角位移调节机构转角可达到0.668°,微调时双向运动重复精度实现±8.91 nrad,角分辨率为15 nrad,1~500 Hz的30 min稳定性(均方根值)为2.72 nrad,机构的一阶固有频率约295 Hz,与理论计算和有限元分析相一致。结果验证了优化设计的柔性机构实现纳弧度级高精度角位移调节的有效性和可靠性。

制冷装置柔性接触式密封机构性能提升的关键技术研究进展

柔性接触式密封机构在制冷装置中起到重要的隔热隔湿作用。针对装配状态下刚-柔多体接触对其性能提升带来的技术挑战,从柔性接触式密封机构技术特点和总体发展出发,综述了影响其性能提升的测量、建模等关键性问题的研究现状,并对未来的发展趋势进行了展望。结果表明:基于反向热平衡的热传递测量技术精度不足,引入滤波算法可降低热流信号噪声波动;现有示踪气体技术未考虑湿空气在刚柔接触界面中的流动扩散,应运用界面微观检测及接触动力学理论来明确流动型式,构建匹配的示踪源和检测回路;对柔性接触式密封机构热流固耦合建模研究尚处于空白,仅建立了传热数值模型与流动平均解析方程,可采用数值计算温度、变形场与解析计算渗流参数的迭代算法来建立耦合模型。未来,除开展测量与建模的基础研究外,还需突破“尺寸效应”技术瓶颈,实现密封组件间的良好配合,应用超低导热材料和电磁感应技术,以提升密封机构的隔热隔湿作用。

三维桥式放大机构的柔性微定位平台的研究与改进

在微定位平台的设计中,引入能够产生高位移放大倍数的三维桥式放大机构,并在此基础上引入了能够有效减少输出端寄生位移的四杆对称式导向机构,从而使所设计的微定位平台能够充分结合二者优势。根据应变能理论、卡氏第二定理、拉格朗日定理,建立该微定位平台的静动态数学模型,理论分析了平台关键尺寸对平台位移放大倍数的影响;并通过计算获得了最优参数下的放大倍数和固有频率,其值分别为19.90和193.26 Hz。通过有限元方法验证了放大倍数和固有频率,其相对误差分别为4.3%和5.9%,从而证明了所改进的微定位平台的优越性能以及理论分析方法的准确性,为放大机构的柔性微定位平台的数学模型构建提供了一定的理论指导。

大转角快速反射镜柔性机构的优化设计与动态分析

针对压电驱动快速反射镜普遍存在的偏转范围小、扫描频率低等问题,本文设计了一种具有较大偏转角度的压电驱动快速反射镜柔性机构。首先开展了柔性机构嵌套级数、构型方式与固有频率、放大系数的相关性研究,得出了三级混合构型的初步设计方案。进一步将该机构离散为柔性铰链、刚性体和集中质量等基本单元,结合矩阵位移法,构建了柔性机构的通用动力刚度模型,得出柔性机构的结构参数与快速反射镜偏转角度的映射关系。在此基础上,对快速反射镜柔性机构关键尺寸参数进行优化设计,开展了柔性机构的模态分析。与国内外同类研究相比,该机构可以在保证较高一阶固有频率的基础上实现100 mrad机械偏转角度。

基于椭圆形柔性铰链微克级单体式称量机构性能分析与优化

为了提高单体式称量机构的灵敏度,对微克级的单体式称量机构进行性能分析与优化,建立了基于椭圆形柔性铰链称量机构的数学模型;以称量机构的横梁末端位移来评价称量机构的灵敏度,通过在不同部分改变铰链厚度,分别验证椭圆形和圆弧形铰链对称量机构灵敏度的影响。结合Ansys Workbench有限元仿真软件对模型的准确确度进行了验证,给出了针对柔性铰链划分网格时的评价依据,结果表明:模型的最小误差为1.8%;且在1μg载荷下,椭圆形铰链相比于圆弧形增加了0.39 nm的末端位移。

带有柔性或弹性构件的平面机构自由度计算

传统平面机构自由度计算公式是基于刚性运动构件建立的,不适用于带有柔性或弹性构件的平面机构自由度计算.以套筒滚子链传动副和齿形带传动副为例,阐述了采用传统平面机构自由度计算公式在带有柔性或弹性构件的平面机构自由度计算中遇到的问题.针对这些问题,本文定义柔弹等效约束作为公式变量,结合传统平面机构自由度计算公式,建立了带有柔性或弹性构件的平面机构自由度计算公式,并实例验证了该公式的正确性.

基于梯度点阵结构的浆果变刚度柔性夹持机构设计

【目的】根据浆果在采摘、分拣等环节中的夹持性能需求,在机器人末端使用高刚度驱动连接和低刚度无损夹持的夹持机构,有效推进农业机器人在浆果生产领域的推广。【方法】针对典型浆果-小番茄的夹持工况,引入多层级拓扑优化理论,提出基于梯度点阵结构的变刚度柔性夹持机构设计方法,构建变刚度柔性夹持机构的优化设计模型,实现由单一材料构建的刚度梯度分布的一体化柔性夹持机构设计。【结果】采用Polyjet增材制造技术,加工获得柔性质量约45 g的夹持机构样件。对茂名‘千禧’小番茄的夹持试验发现,夹持机构样件输入端的驱动载荷为11.00~14.56 N时,小番茄的压缩率为0.90%~1.91%,机械损伤度为0。【结论】优化设计的变刚度柔性夹持机构可有效且几乎零损伤地夹持外表层较为脆弱的浆果,为浆果自动化采摘、分拣等环节中夹持装备的设计提供了可行的设计方法。

锥形飞行体部段自动柔性对接机构的设计

针对国内各类锥形飞行体部段对接装配以人工操作为主,生产装配效率低、装配质量不稳定和安全隐患多的现状,设计一种用于锥形飞行体部段对接的自动柔性对接机构。该机构可根据产品不同锥形部段,采用多自由度平台为依托,运用姿态测量算法对对接的不同部段进行位姿检测与对接姿态规划,满足不同锥形部段之间的自动柔性对接装配,位移调整的相对精度达到0.01 mm,角度调整的相对精度达到0.01°。结果表明:该机构可有效提高飞行体总装效率、装配质量,消除装配安全隐患,填补国内锥形飞行体部段智能对接装配技术的空白,满足当下国防产品产能迅速发展的需求。

可变弯度导叶调节机构柔性多体仿真

为考察可变弯度导叶(VIGV)调节机构在运动过程中各零件的变形以及变形对调节精度、各叶片调节角度一致性的影响,利用有限元软件ABAQUS建立VIGV调节机构的柔性和刚性多体动力学3维模型。研究了柔性与刚体模型调节机构运动差异,并分析了变形量对叶片角度调节的影响。在此基础上,对联动环径向限位、驱动力加载速率以及运动副摩擦阻力对机构调节精度等影响进行分析。结果表明:在调节角度较小时,柔性模型与刚体模型分析结果基本相当,随着调节角度的增大,各零件的变形对调节角度的影响逐渐增大,当L形杆转动0.5 rad时,二者可调叶片调节角度相差约0.9。;在运动过程中,运动副摩擦阻力的增大将增大机构运动所需的驱动力,驱动力加载速率对叶片角度调节的影响在一定范围内可以忽略;联动环径向限位的取消或分布的不均匀均将引起叶片调节角度不同程度的差异,无联动环径向限位下,各摇臂之间的调节角度存在最大相差约0.3°的差异。

高柔性车型零部件储存机构的设计思路

随着我国汽车市场竞争的日益激烈,顾客需求的车型种类越来越丰富,汽车更新换代的速度也越来越快。高柔性车型智能生产线的打造,带来工装增多、车型工装切换耗时长,主线、前车体、侧围无法同比例时间切换等问题,导致区域间等待浪费,产能损失大。为解决切换车型产能损失问题,本文设计了一种高柔性车型零部件储存机构,打破原有的切换模式,减少因缺侧围总成导致的切换等待时间浪费,以保证产能的提升。

含有初始弯曲柔性梁的四杆机构轨迹分析

根据初始弯曲柔性梁的3R伪刚体模型,构建了含有初始弯曲柔性梁的四杆机构的仿真模型,并在ADAMS软件中进行建模仿真,输出伪刚体模型的末端轨迹和末端转角,并和ANSYS软件中建立的刚柔耦合模型输出结果以及基于1R伪刚体模型建立的机构仿真模型输出结果进行对比,可以对3R伪刚体模型进行验证是否可行、优越,为更广泛应用初始弯曲柔性梁打下了坚实的基础。Based on the 3R pseudo-rigid body model of an initially curved flexible beam, the article constructed a simulation model of a four-bar mechanism that incorporates the initially curved flexible beam. The modeling and simulation were conducted using ADAMS software, and the end trajectory and end angle of the pseudo-rigid body model were output. These results were then compared with the output from the rigid-flexible coupling model established in ANSYS software and the output from the mechanism simulation model based on the 1R pseudo-rigid body model. This comparison facilitates the verification of the feasibility and advantages of the 3R pseudo-rigid body model, thereby laying a solid foundation for the broader application of initially curved flexible beam.

3-PRS型柔性并联机构运动学分析及驱动行程优化

为简化3-PRS型柔性并联机构运动学计算过程和提高计算结果的准确性,提出一种等效刚性替换的计算方法,并通过回归对驱动行程与平台位姿进行拟合,实现柔性并联机构的运动学分析及驱动行程优化。首先,通过3-PRS并联机构的逆运动学分析,得到刚性关节位姿;然后,建立3-PRS型柔性并联机构有限元模型,计算柔性关节的转动情况,并与等效刚性机构结果进行对比分析;最后,通过多元非线性回归的方法拟合驱动行程与运动平台位姿的关系,进而得到适用于柔性机构的驱动行程,通过有限元分析,验证优化后模型的准确性。结果表明,优化后平台位姿仿真结果更加接近预设值,为3-PRS型柔性并联机构的运动学分析及驱动行程优化提供了必要的理论依据。

基于柔性铰链结构的大口径压电快摆镜

为了解决压电作动器驱动的快速反射镜因压电作动器伸长量较小,导致快速反射镜偏转角过小的问题,该文提出了一款新型快速反射镜设计方案。采用三级杠杆式柔性铰链放大机构实现压电作动器位移的放大,采用柔性轴承作为快摆镜的运动关节实现快摆镜的大角度定轴偏转。通过理论推导和有限元仿真对快摆镜的最大偏转角度、等效应力、谐振频率以及振型进行分析。实验结果表明,所设计的快摆镜可以实现大于2 mrad的镜面偏转,满足大范围、高精度的光束定位要求。

平面柔性微定位平台的设计分析与优化

为设计具有良好静动态特性的柔性微定位平台,提出了两种基于柔性梁与圆弧形柔性铰链所组成的柔性模块的柔性运动副。首先,基于该运动副设计了新型平面2自由度微定位平台结构;其次,采用柔度矩阵法建立了平台力-位移关系及输出位移的理论模型,基于传递矩阵法建立了平台固有频率与瞬时动力响应的理论模型,并通过有限元仿真验证了理论模型的正确性。理论研究与仿真验证表明,平台具有较高的静动态性能,其输入输出完全解耦,在0.3mm输入位移下丢失运动不超过1.8%;1阶固有频率为320.34 Hz,在0.1 s时间内动力响应与仿真趋势一致。最后,进行了平台静、动态性能的灵敏度分析和参数优化。结果表明,优化后的平台在同样驱动下丢失运动和固有频率分别优化提升了1.95%和43.9%,进一步提升了平台的动态性能。

基于熵权法的含间隙和柔性的机构定量分析方法及应用

含间隙机构运动过程中呈现出非线性,为了更好的模拟含间隙机构实际工况,对局部构件做柔性化处理,在建立间隙机构动力学模型的基础上,利用ADAMS二次开发功能,通过Fortran语言自主编写接触力的求解子程序,加载到ADAMS函数求解库中,实现接触模式实时判别和接触力的求解,分析考虑间隙和局部构件柔性对机构的运动特性影响规律。采用Lyapunov指数验证其运动非线性,并在此基础上提出一种基于熵权法的非线性定量分析新方法,通过MATLAB编写熵权法程序并对仿真结果进行定量分析,评估间隙和构件柔性对机构非线性的影响程度,并将该方法应用于2-RR&2-PR并联机构运动特性研究。结果表明:在任何条件下,动平台X方向加速度熵权值最大,说明对非线性影响权重最高,通过分析不同因素对机构非线性影响程度的趋势,使得对机构非线性程度的描述更为准确,为未来含间隙机构非线性定量分析提供了理论参考。

二维微动平台柔性机构动力学建模与分析

提出一种基于并联柔性机构的两自由度平动解耦并联微动平台.平台采用复合双平行四杆柔性机构模块,采用结构对称约束消除轴间耦合和寄生位移的产生,实现X,Y方向的平动.采用刚度矩阵法对该并联柔性机构进行理论分析,根据观察法建立微动工作台的整体刚度矩阵,得到系统的运动微分方程,推导出系统各阶固有频率.采用有限元分析法对微动工作台进行模态分析,得到微动工作台的固有频率和振型.经过理论分析、有限元计算和试验测试,并对结果进行对比,结果的一致性说明理论分析的正确性和刚度矩阵分析的有效性.

踝关节柔性助行机构设计与控制系统的研究

由于踝关节柔性助行机构结构较为复杂,使用者需求多样化,使其控制效果和应用性能较差。为此,提出踝关节柔性助行机构设计与控制系统。根据使用者需求设计踝关节柔性助行机构总体方案、驱动单元、执行单元与变刚度构件,并确定各个单元参数的计算公式。采用足底压力传感器与陀螺仪传感器识别与预测使用者的步态,应用LabVIEW软件开发助力控制程序,实现踝关节柔性助行机构的控制。实验数据表明,设计系统获得的步态周期长度预测结果与实际步态周期长度保持一致,具有较好的应用性能。

踝关节柔性助力外骨骼设计与开发

目的目前下肢外骨骼一般采用刚性结构设计,限制了外骨骼的实际助力效果。鉴于此,本研究将致力于设计一款踝关节柔性助力外骨骼,以期实现拟人化助力,解决目前外骨骼人机协同度低等问题。方法本研究从以下4个方面展开:(1)柔性机构设计;(2)高性能系统平台搭建;(3)个性化助力策略设计;(4)样机系统性能验证。结果(1)实现了一种符合人体踝关节运动特征的踝关节外骨骼柔性机构;(2)分别完成系统的硬件平台与软件平台设计,包括驱动、反馈、人机交互等;(3)提出了一种助力模型,通过步行测试、参数解算、参数回设等步骤实现个性化跖屈助力;(4)系统性能验证结果表明,样机系统具备助力功能(反馈误差0.1%)并能提供有效助力(穿戴者跖屈肌激活度减少12.7%)。结论通过上述各项研究工作,本研究最终形成了一套踝关节柔性助力外骨骼原型样机,设计了一种基于“电机-跟腱弧长等距”的个性化多参数助力模型。其中,系统软件平台的创新性设计为样机提供了较强的功能性和可操作性,而个性化多参数助力模型与外骨骼柔性机构结合,则有效解决了外骨骼助力效果不佳的问题。因此,本研究对下肢柔性外骨骼的研究和应用,都将具有重要的理论和实际意义。