用于单驱动电动开启门锁保险支链的双层柔顺间歇机构

针对汽车门锁单电机驱动实现电动开启及电动保险功能的需求,基于恒力弹簧弹性力不随行程变化而改变的特性,构造了协同电动开启和电动保险支链运动的新型双层柔顺间歇机构.正向驱动组件由撑杆通过杠杆支撑刚化拨杆拨动型面拨盘;反向驱动组件由拨杆受拨盘扭簧力阻力作用与撑杆脱离,拨杆绕杠杆中心旋转,顺应拨盘型面滚滑.该机构有初始支撑保持、刚性支撑拨动及柔顺避让适应型面多种运动模式,正反向转动实现双层多运动模式切换.该机构在门锁狭小空间内仿真,可实现多工况下开启机构与保险机构的确定运动与复位运动;比较拨杆与保险盘的接触力,使用恒力弹簧时最大值较小且变化幅度平稳,满足与其他支链兼容适应性.仿真结果表明,机构在30.8 ms内实现单独解保险,97 ms内顺序实现解保险及电动开启,68.9 ms内实现单独上保险.     

用于汽车门锁的多运动模式空间柔顺开启机构及稳定性分析

针对高端电动开启车门锁多工况下多支链主被动运动相容及力柔顺需求，基于变拓扑柔顺副提出了新型电动开启空间柔顺机构，该柔顺机构可实现运动空间相容、具有力顺应特征。依汽车门锁原动件、限位不同情况自动切换4种运动模式适应上解保险、开启门锁等不同工况；以含槽连杆槽内端点作为连杆特征点，研究该多模式空间柔顺机构的连杆空间轨迹、力柔顺特征、模式切换特征；根据特征点电动开启过程的相图与轨迹可视化分析，发现柔顺副扭簧刚度k T是影响机构运动稳定性关键因素。提出将最大Lyapunov指数作为柔顺机构动力系统稳定性的评价指标，以带时标连杆特征点三维轨迹构造时变位移序列，用Wolf算法计算其最大Lyapunov指数，进行空间柔顺机构运动稳定性衡量，最终优选得到柔顺副刚度k T值，确保了机构运动稳定性。     

面向车门锁电动吸合开启优先功能的凸轮摆杆柔顺连杆组合机构

针对高端汽车门锁电动吸合及开启优先功能需求,提出了凸轮摆杆柔顺连杆组合机构,构造了双凸轮单摆杆和含弹簧构件四杆机构的组合机构,结合限位块、接触状态、凸轮间歇运动、型面突变等构件特征,可实现柔顺自适应滚滑、刚性拨动、避让释放3种运动模式及各模式间切换;嵌入锁内棘轮棘爪锁紧机构,将组合机构转化为电动吸合与开启支链;对应汽车门锁电动吸合、手/电动开启及复位、吸合复位3种工况,以相应驱动方式和运动边界条件,研究分析了吸合运动与锁内现有支链的运动兼容功能、开启优先功能、吸合卡止情况半锁开启功能。将机构及驱动嵌入车门锁进行仿真,研究了全工况开启凸轮与摆杆、摆杆与棘轮、棘轮与棘爪的接触力;机构仿真实现各功能动作的时间与车门锁设计要求匹配,其由半锁到全锁的吸合过程时间为420.97 ms,复位时间为29.03 ms,手动开启时间为622 ms。     

具有力约束的汽车门锁欠驱动空间机构

以汽车门锁开启支链占用空间少、高效驱动和高端多功能为目标,对单回路空间机构进行构型综合,得到可实现电动开启的RRRSR机构;针对电动开启支链适应手动开启运动的兼容性需求,减少RRRSR机构运动副约束,得到RRSSR欠驱动机构,使得机构与其他支链的运动兼容;通过对该机构运动副增设扭簧力约束,保证了机构运动柔顺性和稳定性;以特定方向投影进行方程变量降维,使得所构建的空间RRRSR机构运动学方程变量最少,解析求得输入角和输出角关系式.仿真结果表明,具有力约束的汽车门锁RRSSR欠驱动机构既能完成电动开启过程,又能在手动开启工况下具有运动兼容适应性.     

一种新型轴/径向伸缩式轮胎成形鼓机构自由度分析

针对一种用于子午线轮胎成形的新型轴/径向伸缩成形鼓机构,应用叠加原理,将成形鼓机构以自由度相等的基本驱动单元进行拆分。通过进一步对驱动单元进行结构分解,得到平面六杆机构及三杆四副支链等基本运动链。运用螺旋理论,对各简单平面机构及支链进行局部自由度、虚约束及公共约束的判定,分别计算其自由度;并依据广义运动副替代原则,得到多个子链组合而成的复杂多环路机构的自由度。通过对成形鼓机构的结构分解,得到了机构自由度数并对其性质进行了判定。     

一种可重构并联机构的几何约束和自由度分析

提出一种可重构空间五杆机构,其具有两种不同的工作模式,模式一为平面二自由度运动,模式二为一个转动运动,两种运动模式进行切换的初始位形具有瞬时的平面二自由度运动和一个转动。将可重构空间五杆机构与一个具有一个转动副和一个球副的串联支链相连,构成一种具有两种不同工作模式的可重构混联支链。利用三条可重构混联支链连接并联机构的运动平台和固定平台,得到一种可重构并联机构,通过控制可重构空间五杆机构在不同工作模式间切换,可重构并联机构可实现四种不同的运动模式。利用螺旋理论分析和证明了上述结论。     

基于图谱法的新型运动分岔并联机构型综合

多模式并联机构在航空航天、机械加工、医疗康复等领域均极具应用前景,但目前能够实现多模式的运动分岔并联机构类型较少,绝大多数运动分岔并联机构中含有变自由度性质的RER支链,为此基于图谱法综合了一类新型运动分岔并联机构且机构中含有4类变自由度性质支链与已有的RER支链不同。首先基于图谱法以机构初始位置两瞬时转动自由度线非共面且相互垂直为例对2T1R运动分岔并联机构进行综合,随后将机构含有的URR支链中和定平台相连接的R副轴线方向改变,使其具有2R2T和3R1T两种自由度性质。将改进后的URR支链配置方案应用到部分4自由度和5自由度支链中,提出另外三类变自由度支链,每种类别支链分别有4、12、32种。以机构中含有4类不同变自由度性质的支链为分类依据,综合出四大类同时具有2T1R+2R1T两模式新型运动分岔并联机构,共包括12种子类别;以第4类变自由度支链为例,将其引入到并联机构中,通过图谱法综合出具有3T1R+2R2T两模式新型运动分岔并联机构。     

平面柔顺机构的自由度

柔顺机构是一类借助其柔性元素自身的弹性变形来传递运动、力或能量的装置。由于引入了柔性元素,柔顺机构中构件和运动副常常无法严格区分,导致其自由度概念有别于刚体机构的自由度,甚至带有一定的模糊性。在总结柔顺机构的结构和运动特点的基础上,分析确定机构自由度应遵循的基本准则,并给出可用于全面描述柔顺机构的两种自由度的定义(刚性自由度和柔性自由度)和相关推论。通过几种典型柔性元的伪刚体建模的讨论以及相关设计实例的分析,给出一种行之有效的平面柔顺机构自由度的计算方法。     

基于变胞铰链的并联机构结构设计与构型分析

为了拓展变胞机构的种类，提出了一种变胞运动单元，该变胞单元采用三个旋转关节，并且三个旋转关节可以通过位置调节形成等效球铰、虎克铰以及转动副。与传统的锁定运动副来实现变胞功能的变胞单元相比，此变胞单元三种构型的切换只需对轴线位置调整，无需额外增加关节锁死电机。通过研究由线矢量构成的螺旋系统的相关性，揭示了变胞运动单元构态变化的基本原理。提出了可用于构造新型变胞并联机构的支链构型设计方法，并基于螺旋的互易性分析了各支链构型所必须满足的几何约束条件。提出了两种变胞并联机构，通过不同的支链装配形式可将其从6自由度构型转换为3自由度构型，并对支链安装形式进行改进，构造出了具有3自由度平移模式和3自由度转动模式的并联机构。对变胞支链作为中心支链组装而成的并联机构的构型及对应的运动类型进行了分析，获得了六种不同构型的并联机构。     

一种新型3-PRR柔顺微动平台的结构与分析

针对3-RRR柔顺微动平台由于输入的直线位移(压电驱动)与被驱动件的转动(R副)不匹配而带来的传动误差问题,首先对不同型式对称四杆机构的直线位移输出特性进行比对,提出了一种较理想的柔顺直线机构-变截面对称四杆机构;其次,以变截面对称四杆机构作为被驱动机构,提出了一种新型3-PRR平面柔顺微动平台,并对该柔顺微动平台进行了运动学分析,得到了平台的正反解以及雅克比矩阵;利用功能转化原理求得平台的刚度矩阵,最后通过有限元软件进行仿真,分析了随机选取的15组位姿。结果表明:与理论位姿间的最大相对误差仅为1.33%,验证了理论分析的正确性。     

Design and forward kinematics of the compliant micro-manipulator with lever mechanisms

This paper presents the forward kinematics of a five-bar compliant micro-manipulator. To overcome the limited displacement of such a flexure-based mechanism driven by piezoelectric actuators, lever mechanisms are utilized to enlarge the working range. The mechanical design of the micro-manipulator is firstly described. Mathematical formulations for the five-bar mechanism are described and the solutions are developed to decide the end-effector position in Cartesian space. The amplification factor of the lever mechanism is also derived based on the analytical solution of the four-bar linkages. The velocity of the end-effector is obtained by differentiating the forward position kinematic equation, and the local mobility index of the five-bar compliant mechanism is determined and analysed. Based on linearization of trigonometric functions and constant Jacobian matrix, numerical simulations are carried out to investigate the performance of the five-bar compliant manipulator and to determine the optimal geometric parameters for the configuration. The comparisons between the exact solution and simplified methodologies are conducted. Experiments are carried out to validate the established model and the performance of the developed micro-manipulator.     

全柔性机构与MEMS

柔性机构是一种新型机构。首先描述了柔性机构和全柔性机构的概念及特点,论述了它们与MEMS之间的关系。然后详细介绍了全柔性机构在MEMS领域内包括微装配、微操作等应用背景下的状况及前景。最后就对全柔性机构研究中的几个关键技术问题如机构的分析、设计及加工,柔性铰链的选择与设计,驱动器的选择及设计等进行了探讨。     

曲柄滑块机构的运动误差补偿

在实际的机械系统中,由于构件的加工、装配误差和磨损,机构系统中一定会存在误差。误差的存在会影响机械系统的稳定可靠性和运动精度,使得实际机构和理想机构之间存在运动误差。现代机械工业正向着高精度、高速度、高效率的方向发展,如何减小机械系统中的误差是一个关键问题。本文应用曲柄滑块机构为例,提出一种增加一个自由度的方法,把曲柄滑块机构改装成五杆机构,通过控制新增的自由度来减小系统误差的方法。运用开环运动补偿控制和PID闭环控制方法对五杆机构进行控制,从而提高系统的可靠性和运动精度。实验结果表明:所提出的方法能够有效的减小机构系统中的误差,提高了曲柄滑块机构的运动精度。     

五自由度纳米级定位工作台的设计研究

提出一种新型的五自由度精密定位平台的工作原理及其设计方法。工作台采用柔性导向机构实现平移及转动功能,采用压电陶瓷作为驱动元件,外置纳米级电容传感器作为位移量测量反馈元件,采用数字PID控制方法,可以实现纳米级精度的定位。给出了多种形式柔性导向机构刚度计算公式及设计实例。     

Spring-joint method for topology optimization of planar passive compliant mechanisms

There is seldom approach developed for the initial topology design of flexure-based compliant mechanisms. The most commonly-used approaches, which start with an existing rigid-body mechanism, do not consider the performances between different topologies. Moreover, they rely heavily on the rigid-body topology, therefore limit the diversity of compliant mechanisms topology. To obtain the optimal initial topology of such mechanisms directly from problem specifications without referencing to the existing mechanism topologies, a spring-joint method is presented for a restricted class of the serial passive flexure-based compliant mechanisms, which are the building blocks of parallel compliant mechanisms. The topology of the compliant mechanisms is represented by a serial spring-joint mechanism（SSJM） that is a traditional rigid-body mechanism with a torsional spring acting on each joint, and is described by position vectors of the spring-joints. A simplified compliance matrix, determined by the position vectors, is used to characterize the tip of the SSJM kinematically, and is optimized to ensure the desired freedoms of the compliant mechanisms during optimization. The topology optimization problem is formulated as finding out the optimal position of the spring-joints in a blank design domain with an objective function derived from the simplified compliance matrix. In design examples, syntheses of the compliant mechanisms with both single freedom and two decoupled freedoms are presented to illustrate the proposed method. The proposed method provides a new way for the initial design of flexure-based compliant mechanisms.     

五自由度3D打印并联机器人设计及分析

为实现多向3D打印,设计了一种新型五自由度3D打印并联机器人,该机器人具有两个转动自由度和三个平动自由度,其特点是采用铰接的动平台以获得大的工作空间。根据建立的运动学模型,计算了该机器人机构的运动学反解,分析了定姿态位置工作空间和定位置姿态工作空间,用螺旋理论方法建立了速度雅可比矩阵,在此基础上分析了五自由度3D打印并联机器人的奇异性、灵巧性,并进行了运动仿真分析。研究结果表明,所设计的五自由度3D打印并联机器人具有大的位置工作空间和姿态工作空间,该机器人在工作空间内存在奇异位置,通过添加冗余驱动后可以消除奇异位置,并且具有良好的灵巧性,适合多向3D打印。     

空间凸轮驱动的单自由度PRS型并联机构及其设计

提出一种用直动从动件空间凸轮驱动的PRS型并联机构,应用一套齿轮传动系统使各分支联动,构成单自由度并联机构。通过设计各分支的运动周期,可使机构在一个很长的公共周期内实现特定的运动。另外,可通过改变分支的相位,实现动平台的随机任意空间运动,模拟一种多自由度并联机构的模糊控制效果。给出了系统的结构简图及相关参数设计的公式,讨论了设计参数对动平台运动输出的影响,并给出了应用实例。     

平面二自由度全铰链五杆轨迹机构综合方法的研究

对平面二自由度五杆机构的位姿形式及位置逆解进行分析之后,提出了用二自由度辅助机构进行全铰链五杆轨迹机构综合的方法。该方法先将平面二自由度全链五杆机构看成由两个开链二杆机构组成的机构。然后按照给定要实现的轨迹,用二自由度辅助机构分别综合出两个开链二杆机构。最后再将综合出的两个开链二杆机构组合成全链五杆机构。按照此种方法综合出的全铰链五杆机构可精确地实现给定的轨迹,配以合适的驱动方式可进行异形边界及系列边界的加工,本文的研究为特殊类型边界的加工提供了手段。     

二维微执行器几何非线性拓扑优化设计与试验

多自由度柔顺机构在微动精密定位和精密操作等领域有广泛的应用,并且柔顺机构拓扑优化后所得机构都是锯齿状跳跃边界的几何图像,不能直接应用于工程实际,因而对多自由度柔顺机构拓扑优化、提取与试验研究就显得十分必要。基于此,以二维微执行器为例,进行多自由度柔顺机构几何非线性拓扑优化、拓扑图提取与试验研究。首先,给出了考虑耦合抑制输出的多输入多输出柔顺机构几何非线性拓扑优化数学模型及优化算法。其次,针对柔顺机构性能特点,给出了一种拓扑提取方法。提取过程包括灰度图像二值化、密度等值线方法边界近似和曲线重构三个部分。最后,以二维微执行器为基础,采用线切割加工工艺,研制了二维微执行器原型,并对其位移性能进行了试验测试,结果表明,该二维微执行器试验结果与理论分析结果基本吻合,达到了设计要求,同时也验证了所提方法的有效性。