3-PPSR并联微动机器人静刚度分析

为简化6支链并联微动机器人的复杂结构,减小装配误差,提出压电陶瓷驱动的3-PPSR构型6自由度并联微动机器人结构.采用整体式下平台和三条两端带有柔性球铰链和直圆柔性铰链的支杆,使结构紧凑并有利于提高精度.为分析对并联微动机器人精度具有重要影响的静刚度指标,首先求出此类机器人的逆解矩阵及支杆柔性铰链处微小角位移和末端位姿的关系.在此基础上,考虑支杆两端柔性铰链和弹性平板的弹性变形,运用虚功原理推导并联微动机器人静刚度矩阵.进而仿真分析机构各几何参数对静刚度的影响,获得支杆两端铰接点半径及直角弹性平板和支杆两端柔性铰链尺寸对刚度的影响规律,为此类并联微动机器人刚度配置和机构优化设计提供理论依据.     

圆弧型柔性铰链结构参数对其刚度性能的分析

微动机器人具有无摩擦无间隙、响应快、结构紧凑、刚性好、误差积累小等特点,以柔性铰链代替传统铰链后并联机构就正好具备以上特点适合用作微动机器人.柔性铰链是目前被广泛用于微动机器人的主要部件之一,其刚度性能直接影响微动机器人的终端定位.由于实际需要的多样性和复杂性,使得其实际结构的何尺寸不能完全满足传统理论分析的假设条件,因此影响到对其性能的准确分析.采用有限元软件ANSYS分析了多个不同尺寸参数的圆弧形柔性铰,并与其解析计算结果进行了比较,分析了二者间产生误差的根本原因.     

微动工作台的误差源分析

并联微动工作台广泛用于高精度场合,制造误差、装配误差、以及工作过程中温度与重力的作用都会影响到终端定位精度,因此有必要对误差源进行研究.以一种3-PPTTRS微动工作台为例,利用矢量闭环,在微动工作台单支链标准模型的基础上建立基于杆长的误差模型和基于柔性铰链的误差模型.考虑到杆的制造误差、柔性铰链的制造误差、装配误差、驱动部件的运动误差和温度变化引起的杆长不准确,建立相应的矢量闭环方程.分别分析柔性转动副、柔性球副和柔性胡克铰的制造误差和装配误差对微动工作台终端定位精度的影响,详细分析切入半径的误差、切入圆圆心沿x方向的位移偏差、切入圆圆心沿y方向的位移偏差、沿z方向的偏转等柔性铰链制造误差以及垂直度、同轴度等柔性铰链装配误差对微动工作台终端位姿的影响.分析温度和重力对精度的影响.有限元仿真结果表明,温度对微动工作台的影响很大,而重力的影响基本上可以忽略不计.该方法对复杂并联微动机器人的精度设计提供了有效的途径.     

并联微动机构的柔性设计

由于并联微动机构应用在特殊场合,故对其定位精度提出了极高的要求.运动副的间隙和摩擦是影响机构精度的主要因素,提出了采用无间隙、无摩擦的柔性铰链作为微动机构的运动副.通过分析柔性铰链结构尺寸与性能的关系,合理选择了铰链材料和几何尺寸.并以带柔性铰链的Stewart六自由度平台为设计实例,证明了柔性铰链在微动机构中的应用是成功的.     

基于压电陶瓷驱动的并联微动机器人静力学及其微动平台的静刚度分析

并联微动机器人通过弹性铰链的弹性变形实现终端平台的微运动,静力学和静刚度是微动机器人必须解决的问题。充分考虑弹性铰链的弹性反力/力矩,对6-PSS并联微动机器人进行静力学分析,建立了压电陶瓷驱动力与微动平台外载的关系模型,并定义了微动机器人的驱动刚度矩阵。基于并联微动机器人的特殊性,定义了微动平台的刚度,通过静刚度分析推导出了微动平台刚度矩阵,为并联微动机器人结构刚度设计、弹性铰链刚度综合和动力学分析提供了理论基础。     

六自由度并联柔性铰链微动平台的研究

为获得具有运动解耦性的并联2-2-2结构的6自由度微动平台,首先以并联6-PUS 3维平台为原型,用柔性铰链替代球铰,用柔性框架替代直线移动副,设计了并联2-2-2结构的6自由度微操作平台。其次,建立了该微操作平台的位置正反解方程;然后,建立了柔性铰链的刚度模型,以各种强度条件为约束,并利用有限元分析校核了其中的柔性铰链。上述分析证明了该机构的可行性及运动解耦性。     

微机器人中用细钢丝替代球铰链的定位误差

设计的双指微动操作手的本体是基于并联机构的微机器人，其工作盘上装有针状手指。微机器人的传动支接采用柔性铰链微位移放大机构，并用细钢丝代替球铰链。讨论了柔性铰链的定位误差，建立了用细钢丝代替球铰链的设差模型，借助于柔性铰链相对于理想运动轨迹的偏离曲线，对由此引起的定位误差进行了分析计算。     

新型三维微动台的设计与试验分析

研究设计一种新型的、以压电陶瓷为驱动器的三维微动台结构。该微动台以柔性铰链为弹性导轨实现了微定位。 分析所采用的直圆柔性铰链的参数变化对其造成的性能影响;提出一种新型柔性铰链结构,利用有限元分析软件AN SYS对这种新型结构进行理论分析和试验测试。试验表明:采用这种柔性铰链结构的微动台刚度比较小、运动耦合误差 小,定位精度优于±0.01μm。     

柔性铰链微位移放大机构工作性能仿真

为了获得足够的机器人工作空间 ,微动并联机器人平台之间的支链均采用了基于柔性铰链的微位移放大机构。本文对微位移放大机构设计方案进行仿真分析。确保压电执行器既不会被弹性力封锁 ,柔性铰链处的应力也不超过许用应力。根据仿真结果设计的微位移放大机构保证了微动并联机器人的工作性能。     

一种新颖的并联微动机器人结构的承载能力和速度指标分析

提出一种新颖的用于微动机器人的六自由度并联结构，应用并联机器人机构学理论，建立其力方程与速度方程，并对其承载能力和速度性能指标进行分析计算，为设计具有该结构的微动机器人提供了理论依据。分析计算结果表明，该并联结构是承载能力和速度各项同性的。的以，采用这种结构的微动机器人，具有算法与控制简单的特点。     

并联3-2-1结构新型微操作手及其承载能力分析

以并联6-PSS 3维平台机构为原形，用柔性铰链替代球铰，用柔性框架替代直线移动副，设计了一种新颖的并联3-2-1结构的6自由度微操作手。介绍其结构特点，推导出输入输出微位移方程并对其承载能力进行分析，为其设计和使用提供理论依据。这种微操作手具有分辨率高，微位移解耦，算法和控制简单等优点。     

柔性铰链微操作机构的误差源分析

深入分析了微操作机构的各种误差源机理及作用规律 ,提出了减小微操作机构误差、提高操作精度的措施 ,为高精密的柔性微操作机构设计、加工及装配提供了理论依据 ,也为进行精度测试及实现控制算法打下基础     

3-PTT并联微操作机器人工作空间分析

研究了 3- PTT空间并联微操作机器人机构的工作空间 ,分析了驱动杆伸长量和运动副转角等限制因素对工作空间的影响。通过圆柱坐标数值搜索算法求得工作空间的边界和体积 ,并通过计算机仿真给出了 3- PTT空间并联微操作机器人机构工作空间的三维可视化描述。     

基于虚功原理的3-RRPR柔性精密定位工作台动力学分析

为了实现柔性精密操作系统的高频控制,提出一种新型空间柔性并联精密定位工作台系统,该工作台采用多个压电陶瓷驱动方式,通过半圆形凹槽单自由度柔性铰链的弹性变形实现末端执行件3平动自由度的主动调整.根据机构伪刚体模型,采用矢量闭环方法建立其位置、速度以及加速度方程,并结合柔性铰链弹性应变能,采用虚功原理方法进行动力学分析,推...     

KINEMATICS FEATURE ANALYSIS OF A 3-DOF COMPLIANT MECHANISM FOR MICRO MANIPULATION

Kinematics and its related issues of a 3-DOF in-parallel compliant mechanism are focused on. The micro manipulation application that requires high accuracy is developed. Design of the developed micromanipulator is based on the modified Delta mechanism. The main advantages of this manipulator are the use of only revolute flexure hinges and the capability to produce pure translation theoretically. The aim is to develop an efficient kinematic model used for positioning control. For this purpose, the Jacobian matrix relating the end effector position with the actuator displacements is obtained by both theoretical derivation and experiment. Aiming at the abnormality in the motion capabilities of the micromanipulator found in calibration experiment, the mobility of the compliant mechanism on a theoretical level is analyzed by using the matrix method and screw theory. Both the experimental and theoretical results have verified that the compliant mechanism does have rotational motion.     

柔性铰链的计算和分析

针对常用的直圆柔性铰链进行力学分析,与迄令一直沿用由J.M.PAROS给出的柔性铰链绕z轴的转动刚度(柔度)计算公式相比,提出了更为简洁、精确的转动刚度计算公式,使其有利于柔性铰链的设计和分析。对直圆柔性铰链所能承受的最大力矩和最大角位移进行了分析,给出了它们在不考虑应力集中影响下的计算公式。讨论了直圆柔性铰链各个参数对其性能的影响。为柔性铰链在精密定位系统中的应用提供了一定的理论基础。     

Topological and Shape Optimization of Flexure Hinges for Designing Compliant Mechanisms Using the Level Set Method

A flexure hinge is a major component in designing compliant mechanisms that o ers unique possibilities in a wide range of application fields in which high positioning accuracy is required. Although various flexure hinges with di erent configurations have been successively proposed, they are often designed based on designers' experiences and inspirations. This study presents a systematic method for topological optimization of flexure hinges by using the level set method. Optimization formulations are developed by considering the functional requirements and geometrical constraints of flexure hinges. The functional requirements are first constructed by maximizing the compliance in the desired direction while minimizing the compliances in the other directions. The weighting sum method is used to construct an objective function in which a self-adjust method is used to set the weighting factors. A constraint on the symmetry of the obtained configuration is developed. Several numerical examples are presented to demonstrate the validity of the proposed method. The obtained results reveal that the design of a flexure hinge starting from the topology level can yield more choices for compliant mechanism design and obtain better designs that achieve higher performance.     

Design and analysis of flexure-hinge parameter in microgripper

In the precision engineering field, a large number of applications require precise and microlevel manipulations, and microgrippers are an essential device to achieve precise manipulations. Highly precise movements are, in general, hard to achieve using conventional joints due to manufacturing error and backlash. In this paper, a new two-dimensional, compliant, monolithic piezo-actuated microgripper using flexure hinges is reported. The microgripper is designed, and a comparison study on stress and displacement is done by varying the hinge parameters such as the hinge radius, web thickness, position of flexure hinge, and radius of curvature of hinges. Kinematics of the microgripper is analyzed based on input/output displacement for all the above hinge design variations using FEM, and a kinematic model is arrived at based on the hinge location.     

基于柔度比优化设计杠杆式柔性铰链放大机构

分析与研究了柔性铰链的柔度特性,用于柔性放大机构的优化设计。提出了一个通用的柔度比参数λ,探讨了具有不同柔度比λ的柔性铰链主要输出位移形式的灵敏度,分析了它对常用柔性铰链的柔度特性的影响规律。然后,以柔性铰链的柔度比λ为基本参数,在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,推导了二级杠杆式柔性铰链放大机构放大率的理论计算方法,并依据柔性铰链的柔度比特性提出了柔性放大机构的优化设计方法。开展了有限元仿真和实验研究。结果显示,优化后的柔性放大机构的放大率比优化前的放大率分别提高了0.234和0.23。实验表明,依据柔性铰链的柔度比λ对柔性放大机构进行优化设计能够有效地提高柔性放大机构的位移放大率与工作行程,进而提高放大机构的末端运动及定位精度。     

椭圆弧柔性铰链刚度简化计算及优化设计

本文主要研究了椭圆弧柔性铰链刚度的优化设计方法。首无,针对椭圆弧柔性铰链刚度计算公式过于复杂的问题,采用幂函数非线性曲线拟合的方法,推导了椭圆弧柔性铰链刚度的近似理论计算公式。然后,基于近似理论计算公式,分析了柔性铰链的精度特性及工作时的最大应力;采用GlobalSearch全域优化指令和Fmincon局域优化指令对椭圆弧柔性铰链工作方向的最大刚度进行了优化设计。最后,采用有限元仿真和实验验证的方法证实近似理论计算公式的适用性和优化结果的可靠性。验证显示:实验结果与近似理论计算结果的相对误差小于5%,表明提出的方法不仅省去了繁杂的有限元模型建立以及计算和修改的过程,大大提高了设计效率;而且通过优化计算可以得到椭圆弧柔性铰链的最大刚度。