3支链6自由度并联机构运动学研究

为了使并联机构在三维空间完成3个转动和3个移动的动作,可以进行全方位的运动,课题组提出了6自由度2PPRS-RPRS并联机构。课题组描述了该并联机构的构型,建立了机构的运动坐标系;利用螺旋理论求解了机构自由度,并运用修正Kutzbach-Grüble公式验证了自由度求解的正确性;根据支链与定、动平台间的相对姿态关系,推导了支链平面方程,并结合杆长不变条件,推导获得了该6自由度并联机构全部位置逆解的解析解;并基于三维边界搜索法,求解绘制出了机构的可达位置工作空间;最后,通过SolidWorks/Simmechanics的三维运动/参数可视化联合仿真,得到了机构的驱动位移相对时间的变化曲线。研究结果表明该机构构型设计、自由度分析正确,得出了该机构在三维空间内的运动学输入、输出的变化规律。     

具备大转动能力的2-PUR-PSPR并联机构

针对目前复杂曲面工件加工时,需要加工设备具备大转动能力的需求,课题组提出了一种新型的RXRYTYTZ4自由度2-PUR-PSPR并联机构。机构同时采用移动外副和内副驱动,通过相互平行的大行程移动外副的驱动方向变换,辅以移动内副伸缩驱动的调节作用,控制动平台的运动。课题组基于螺旋理论和修正的Kutabach-Grübler公式,计算并验证了该机构的自由度;由机构闭环矢量方程建立位置逆解模型,并借助定杆长等约束条件,获得了该机构位置逆解解析式;基于边界搜索算法,应用MATLAB软件,求解出动平台Y轴方向位移恒定时机构的RXRYTYTZ工作空间。在Solid Works软件中进行仿真分析,结果表明:该机构具有工作空间范围大,动平台转角范围大,运行稳定等优点。课题组的研究可为大姿态转动能力机构设计提供一定参考。     

含运动分岔闭链的多运动模式并联机构

为了探究变自由度可伸展机构、多轴联动多面加工机床和多步态灵活移动装置等新兴可重构装备的执行机构设计问题,课题组设计了含运动分岔闭链的多运动模式并联机构。并基于螺旋理论对分岔闭链、含分岔闭链的混联支链及并联机构的多种自由度进行研究。课题组提出了一种URRC(万向节-转动副-转动副-圆柱副)构型的运动分岔闭链,该闭链处于奇异位形时有2自由度瞬时运动,一般位形时有单自由度整体空间连续转动或单自由度平面连续运动。进一步,将URRC运动分岔闭链与5自由度RRS(转动副-转动副-球面副)开链串联,得到了一种具备5自由度和6自由度2种独立运动模式的混联支链。最终,将3条对称布置的URRC-RRS混联支链组装为运动分岔并联机构,该并联机构具有3转3移、3转2移、3转1移和2转1移4种运动模式。     

基于2 UU-UPU并联机构的4足机器人设计

针对串联4足机器人负载能力低及由误差累积导致的控制精度低的问题,课题组采用2UU-UPU并联机构作为4足机器人大腿基本构型,并在动平台上添加一长杆作为小腿结构设计了新型4足机器人.首先基于修正的Kutabach-Grübler公式计算单腿机构的自由度并进行验证;其次利用几何关系求解该结构的逆解表达式;然后基于结构的约束...     

基于少自由度主动支链的2 R1 T并联机构

针对空间串联机构的工业机械臂在执行加工操作任务时,普遍存在刚度强度较差、重复精度较低、能耗较高等缺点。基于3条少自由度主动支链,课题组设计了一种具有2R1T自由度的2-RPU/RPS并联机构。计算并验证了2-RPU/RPS并联机构的自由度,获得了解析形式的位置逆解,证实了该机构仅可能发生运动学正解奇异;依据课题组提出的基于边界数值搜索法的工作空间求解流程,证实了动平台具有沿X方向约80°的较大姿态转动范围;通过Solid Works虚拟运动仿真获得了2-RPU/RPS并联机构驱动位移变化曲线。仿真结果表明:机构各驱动位移变化曲线均波动较小且在合理取值范围,说明驱动器运转平稳、能耗较低。本研究可为基于并联机构的复杂曲面工件多轴加工装备研发提供有益的参考。     

曲柄群机构自由度计算的旋量法

由于曲柄群机构的曲柄个数和任意2个曲柄间连杆个数的不确定性,传统方法计算该机构的自由度会遇到虚约束判断等问题。课题组在分析了曲柄群机构基本单元运动特性的基础上,定义了连杆桁架;基于连杆桁架的概念,总结了不同拓扑结构形式的曲柄群机构在结构上的统一性;利用旋量理论计算了含任意多个曲柄的曲柄群机构的公共约束数及冗余约束数,并计算得出含任意多个曲柄的曲柄群机构自由度。计算结果表明,利用旋量理论和连杆桁架概念简化了曲柄群机构的构件数,避开了繁琐的计算。研究实现了对含任意多个曲柄的曲柄群机构自由度计算的统一。     

3轨式横向对称分布6-PSS并联机构及性能优化

针对多滑块共轨式6-PSS并联机构存在的姿态工作空间小、容易奇异等问题,课题组提出一种3轨式分布的6-PSS并联机构(P为移动副,S为球副)。该并联机构杆件长度和轨道间距呈不均匀布置,以提升姿态工作空间;采用闭环矢量法进行位置分析,通过极限边界搜索法求解工作空间;基于运动/力传递指标对机构性能进行评估,并采用性能图谱法基于全域指标GTI进行机构尺寸优化。结果表明优化后机构运动/力传递性能有显著提升,同时姿态工作空间也得到提升。该机构在工程上有一定的实用性。     

轮腿可变式移动机器人的结构设计

针对移动机器人在复杂多变环境下执行搜救侦察任务时机动性、越障性存在的不足,课题组提出了一种新型轮腿可变式移动机器人的设计方案。课题组通过对变径机构的设计使得机器人可以实现轮式和轮腿式2种工作模式的自如变换;采用修正的Kutzbach-Grubler公式对变径机构自由度进行了分析;利用速度瞬心法对移动机器人以轮式模式工作时进行运动学求解;利用拉格朗日法建立了移动机器人的动力学模型;最后通过ADAMS软件对移动机器人进行仿真实验分析。研究结果表明：该机器人整机结构设计合理,运动平稳,具有较强的机动性与地形适应性。该研究弥补了单一运动模式的机器人在地形适应能力上的不足。     

基于Lie对称性方法的立体织机打纬机构运动响应特性分析

为了对立体织机平行打纬机构进行全面深入准确的运动学和动力学研究,提升织机整体性能与生产效率,也为织机打纬机构更精确地动态优化设计和先进控制奠定理论基础。运用基于Lie对称性方法解析精确计算了立体织机打纬机构的运动响应问题,建立立体织机偏置式曲柄滑块打纬机构运动模型,将打纬机构的非线性几何约束代数方程,通过微分变换建立了两自由度运动方程,采用Lie积分法求解了精确响应,以此克服位置数值分析以及与各参数变化定量显示关系的困难。以打纬力为机构动态性能指标,进行了机构运动响应对驱动转速、偏置距离、结构尺寸等有关设计参数的局部灵敏度分析。指出,转速对打纬机构系统性能影响很大,尺寸长度比对其也有较明显的影响,偏执距离对其影响变换不明显,因为单纯增加打纬机构尺寸来提升织机动态并非行之有效的方法;用Lie对称性理论研究机构非线性运动特性,方法新颖、适用范围广、结果可靠准确。     

折纸启发的空间可折展末端执行器设计

为解决多自由度可折展机构及折纸机器人等末端执行器的控制问题,课题组提出了一种外部链节间接控制刚性折纸机构的方法。该方法中的机构无需组装,降低了系统的复杂性,且单自由度驱动可使得刚性折纸机构可逆地折叠和展开。课题组将刚性折纸机构与单环闭链机构进行结合,提出了一种空间可折展末端执行器;该末端执行器采用3个固接Bricard机构为外部链节,只需要1个旋转驱动即可控制空间3自由度末端执行器的折展过程。课题组首先对外部链节进行了运动学分析,然后对外部链节进行驱动设计,最后对整个末端执行器进行仿真实验分析。结果表明在外部链节的控制下,能够实现单个驱动控制3个自由度末端执行器的同时收放,验证了理论分析的正确性。用外部链节控制刚性折纸机构的方法只需要最小的驱动力可实现复杂的运动。     

新型二自由度移动并联机构设计

针对工业设备快速抓取物件的需求,基于并联机构具有的优点,提出了一种二自由度可快速移动的并联机构。对该机构的运动学进行分析研究,创建该平面二自由度的运动学模型,利用勾股定理推算出该机构的正反解,继而得到雅克比矩阵。最后利用杆件约束等条件得到该机构的工作空间。通过SolidWorks和MATLAB仿真软件求正反解验证了设计的正确性。该并联机构的横向位移较大,满足设计要求。     

绝对节点坐标四面体单元建模与动力学分析

四面体单元可用于具有不规则柔性构件的多体系统动力学仿真,因此课题组基于拉格朗日方程研究了绝对节点坐标(ANCF)四面体单元体积坐标下的动力学模型。基于四面体单元中笛卡尔坐标与体积坐标的关系,构建了用体积坐标表示的动能和应变能,将其代入拉格朗日方程建立了运动微分方程。通过静动态实例分析了所建ANCF四面体单元动力学模型的收敛性和精度。与ABAQUS软件四面体单元进行比较,结果显示:ANCF四面体单元的精度高于ABAQUS四面体一次单元,随着单元数增加,精度可与二次四面体单元一致。     

输入轴与输出轴正交的球面四杆引纬机构运动分析

介绍了球面RRRR空间连杆机构作为引纬机构的运动分析方法,引用有关文献的方法提出机构的解析方程,并对机构参数对运动规律的影响进行分析。     

4PRR-P混联加工机构运动学研究

由于平面并联机构存在着动平台灵活度低,容易产生机构奇异,工作空间小等缺点,课题组提出了一种新型4PRR-P混联加工机构。基于螺旋理论验证了机构的自由度特征,建立了机构位置逆解数学模型,确定了机构的奇异位形。采用数值搜索法求解了机构的工作空间,通过考察各尺度参数对工作空间的影响,优选得到了机构的关键尺度参数。相关数值计算及运动仿真结果表明该机构可以解决平面并联机构存在的灵活度低、容易产生机构奇异、工作空间小等问题。文中运动学模型及性能分析结论合理正确,相关成果可为机构动力学分析、结构设计提供参考。     

卡登圆行星机构动力学分析

根据卡登圆行星机构的运动规律,利用几何解析法得到机构运动方程,从能量角度出发,建立该机构的动力学方程。得到卡登圆行星机构的输入扭矩及输出广义力随时间的变化规律,定性地绘制了卡登圆行星机构的载荷谱;对该系统响应规律进行分析,研究了影响该系统动力学特性的因素,并分析了其动力学特性的优越性,将仿真与理论计算进行对比,验证了研究的可行性。     

仿人关节并串结构位姿求解算法研究

针对用于脑卒中患者上肢的康复训练,针对肩关节和肘关节运动的特点,课题组提出了一种6自由度仿人关节并串机构。该结构是由2种不同位姿并联机构进行并串组合而成,课题组利用Kutzbach-Grüble公式对其进行了自由度的求解;采用解析法对该机构进行位姿分析研究,运用了球面三角形余弦定理来分析机构运动中弧形杆弧长不确定的情况;采用分部求解法把整体问题拆分成2个互有关联的部分进行求解。结果表明:与传统的对整体结构直接求解的方法相比,课题组采用的求解算法大大减小了求解的计算量。文中研究的方法适用于同类型位姿分离的并串组合,对其他同类型结构的位姿分析具有参考意义。     

偏心摆动式递纸机构驱动凸轮的参数化设计

基于对08胶印机中偏心摆动式递纸机构运动过程的分析，根据递纸机构的运动要求，对递纸牙的运动规律进行模拟，得到递纸牙的运动方程。在此基础上，运用复数矢量法，对机构中各杆件进行分析，得到各杆件的位移、速度和加速度在一个运动周期内的值，进而利用反转解析法，设计出了驱动凸轮的轮廓曲线。在MATLAB环境下，以机构中递纸牙运动的边界条件，滚筒转速和机构几何参数为初始参量，编制了参数化的驱动凸轮轮廓设计软件，根据不同的输入参量，可得到不同的凸轮轮廓，并进行压力角校核，为偏心摆动式递纸机构的研究开发提供了一种便捷的工具。     

基于MATLAB空间四连杆引纬机构运动仿真

为了分析探讨剑杆织机空间四连杆引纬机构参数变化对其运动学特性的影响,通过代数解析的方法建立了该机构各部分数学模型,编制了MATLAB程序对其进行运动仿真,得出了运动特性曲线,同时定量分析了转速和曲柄长度变化对引纬机构运动规律的影响。分析结果表明,所得的运动特性曲线符合所需引纬要求,可以通过调节转速和曲柄长度优化运动规律曲线。     

三自由度并联包装机构静动态特性建模与分析

目的：针对一种可用于食品包装的三自由度HUU型并联机构,对其静动态特性进行研究。方法：先建立并联机构几何模型,再进行机构静动态刚度分析与计算,并基于Lagrange法确立机构动力学方程。将连接杆按照纯刚体进行动力学分析,并将支链连接杆件作柔性化处理进行刚柔耦合动力学分析。结果：并联包装机构沿空间垂直方向的静刚度值最大,薄弱环节位于连接杆与滑鞍以及动平台连接处。支链连接杆刚柔耦合效应使得滑鞍转向运动时加速度出现了突变情况,刚体模型与耦合模型其余运动评价指标分析结果基本一致。结论：优化并联包装机构可提高其运动性能。     

摆动导杆机构运动特性的解析法研究

以摆动导杆机构为研究对象,用解析法建立其运动特性的数学模型。借助MATLAB软件完成了摆动导杆运动规律的可视化图形,并与使用ADAMS软件分析同一摆动导杆机构的导杆运动输出图形比较。结果表明,解析法获得的导杆运动曲线与ADAMS仿真得到的导杆运动输出图形完全一致,从而验证了解析法建立的该机构摆动导杆运动规律数学模型的正确性。