基于折纸机构设计的新型行走机器人

针对行走机器人存在的驱动复杂、无法适应不同行走环境等局限,基于折纸机构设计出一种新型的具有单自由度的行走机器人的两种腿部折纸构型;通过将三浦折纸(Miura-Ori)折痕转角理论与腿部等效运动学模型相结合,简化运动学的求解并设计出一种新型的驱动方式.将单顶点折纸理论拓展到多顶点的折纸构型之中,得到了不同单元的折痕转角之间的确定关系.提出一种配合折纸折叠状态的步态规划.结果表明,机器人腿部折纸构型能够实现大跨度、大步长的行走步态;由于足部末端的大跨度动作,不与地面发生相对滑动,能够在不同复杂程度的路面实现平稳行走.     

基于正六边形折纸的单自由度可展结构

可展结构在航空航天领域应用广泛,其性能的优劣直接决定航天任务的成败.随着各种空间设备向着大型化和复杂化方向发展,对性能优良的可展结构的需求与日俱增.为了设计具有高可控性、大收纳率的可展结构,从刚性折纸的角度出发,对一种已有折纸图案进行改进,设计出一种新型零厚度正六边形折纸.进一步结合桁架理论和厚板折纸理论分析并降低了其自由度,从而提高了该机构的可控性,并借助D-H法对其进行了运动学分析.考虑到实际工程中应用的空间设备多有一侧为平整的工作表面,通过采用新的机构对原有机构进行运动等效替换,使其具有一侧平整展开表面,最终得到了一种具有单自由度大折展比的可展结构设计方案.     

折纸启发的折叠式柔性关节及步行机器人设计

基于折纸折叠原理启发的新构型的开发与应用日益成为相关领域的研究热点,其中,平面折痕的设计、三维形体的折叠、构型的运动特点、自由度及与之相配合的驱动设计都是需要解决的问题.首先,在经典的Water-Bomb折纸基本单元的基础上设计出具有单自由度的非汇交折叠单元的平面折痕,将基础折痕进行组合设计以及三维折叠设计,得到两种具...     

基于折纸的圆柱及圆台薄膜折叠设计及分析

为减小航天器的遮光罩和热屏蔽的占用体积,基于折纸的基本规则和特点,设计一种圆柱面及圆台面薄膜的折叠方式。对圆柱面折叠过程进行分析及计算,推导出将圆柱面折叠成平面图形的角度约束和高度约束,并建立该折叠方式折痕的数学模型,在该模型下圆柱面折叠后截面为正多边形。在此基础上对圆台面折叠方式进行了类比分析,推导出将圆台面折叠成平面图形的角度约束和高度约束,并建立该折叠方式折痕的数学模型,在该模型下圆台面折叠后截面为正多边形。两个数学模型为航天器的遮光罩和热屏蔽等圆柱面或圆台面结构提供了一种可设计的折叠方式,该方式不同于已有的固定式或者伞形轴向展开式,可以大大减小相关结构所占用的体积,对遮光罩和热屏蔽等薄膜结构的设计具有参考意义。     

具有三阶幻方拓扑构型的厚板折纸机构运动相容性分析

折纸机构是折展机构的一种,折痕分布对折纸机构的刚性折展运动有直接影响。首先,提出一类具有三阶幻方拓扑构型的折纸机构,运用拓扑学理论对折纸机构的拓扑组成元素进行分析,通过构造网孔环路矢量和折痕分布矩阵,形成一种可用于描述折纸机构折痕分布特征的矩阵表示方法。其次,建立拓扑图旋转、翻转和镜像操作过程的矩阵运算数学模型,对256种三阶幻方折纸机构拓扑构型进行同构判定后,将得到的23种拓扑构型分为方扭型、轴对称型和不规则型。最后,在考虑板件厚度的同时,为了判断机构是否可刚性折展,将三阶幻方中每一个网孔环路处的单顶点四折痕机构等效为Bennett机构,通过引入分位角参数矩阵、转角特征矩阵和分位角特征矩阵,建立运动相容性判定方程的通用表达式,提出运动相容性系数的概念,并将其应用于厚板机构的刚性折展性分析,发现23种拓扑构型中有19种可用于厚板折展单元的设计,以折展单元与其镜像体进行模块化扩展为例,说明了此类折展单元在构造大尺度折展机构时的应用前景。     

折纸衍生空间可展结构研究回顾与展望刍议

作为起源于中国,发展于日本的传统手工艺,折纸由于其可以实现二维与三维结构之间形态高效转换的特性,近年来受到了科研人员与工程人员广泛的关注,为空间可展结构的创新研究提供了新的思路。对学界与工程界针对一维、二维、三维折纸衍生可展结构的研究现状进行了阐述,指出后续研究应关注的刚性平面载荷高效折展、柔性结构管理、非欧几里得折纸理论、驱动设计与动力学、重力卸载与试验考核、与其他折展机构的综合等六个问题。     

基于昆虫羽化与折纸的折展机构设计与分析

基于蝉翅羽化展开过程的运动特点,建立了蝉翅的结构简化模型.并在此基础上,基于折纸理论抽象简化出了一种折展机构.基于雅可比矩阵法对其进行了 自由度分析;同时,基于坐标变换矩阵方法,分析了该折展机 构的运动过程,得出了其输入角与输出角关系;利用仿真软件ADAMS建立了该折展机构的虚拟样机模型,并对其进行了模拟仿真,得出了其具体的运动过程;最后,基于该折展机构制作了简易的折纸模型,验证了模型展开与收拢过程的有效性.     

基于直线驱动的空间可展机构运动分析

将直线机构与折纸机构相结合,设计出一种新型空间可展机构,并对其进行运动分析。运用抽象思维将筝形纸板的四条边线抽象为构件,将相邻边线间的拐点抽象为转动副,提出一种二自由度筝形七杆机构,采用几何证明的方式,对机构执行构件实现直线运动的条件进行研究,结合运动支链为末端执行构件提供约束的本质,通过引入平行约束的方式,设计得到多种单自由度筝形直线机构。以筝形直线机构为基础构造可展单元,阐述模块化组成筝形直线可展机构的原理和过程。根据三浦折纸机构的运动几何特性和面对称性,在运动学分析的基础上,提出一种通过改变对称面上共线等距点的间距来实现机构折展的驱动方式,经由筝形直线可展机构予以实现后,建立整体空间可展机构的虚拟样机模型,研究机构的运动干涉问题及其影响因素,绘制折展率性能图谱,得到了该空间可展机构的折展率随着板厚h的减小和切除长度c的增大而增大的结论,为机构的结构设计和工程应用提供参考依据。     

机构学理论研究进展

综述了机构结构学、运动学、动力学理论研究的进展：机构学研究对象的层次结构；机构设计的一般过程，机构结构单元的划分方式、由结构单元约束和单元之间约束所得到的拓扑结构特征，机械产品创新设计的结构类型综合及其类型优选；机构运动分析方程的结构、生成、维数、求解与机构拓扑结构特征之间的内在联系；确定机构装配构形的代数法（如同伦方法），机构运动尺度综合的代数法（如同伦方法等）及其与优化法的结合，机构尺度类型及其优选问题，动力学分析、响应方程的结构、生成、维数、求解与机构拓扑结构特征和运动学之间的内在联系；广义速率与动力学响应方程的耦合性；机构摆动力、摆动力矩完全平衡的质量矩替代法、动量矩替代法的一般理论，并简述了机构学理论研究的发展趋势。     

大型空间薄膜遮阳罩折展构型设计与分析

将折纸技术应用于空间薄膜结构构型设计并在展开全过程进行应力优化,设计折纸型充气管结构组合使用,完成大型空间薄膜遮阳罩折展构型设计。基于光学系统遮阳需求,采用杆系等效方法分析了两种薄膜折痕方案折展过程中的应力改变水平,并进行了遮阳罩薄膜结构的参数设计。考虑到充气管与薄膜结构的点连接和同步折展问题,采用单顶点六折痕模式改进了传统的Z字型充气管设计方案并进行了通气性能分析。采用ANSYS/LS-DYNA仿真计算了薄膜结构和充气管结构的展开全过程,并进行了应力水平和气压分析,最终通过样机模型进行了展开试验验证。结果表明,组合采用改进薄膜折痕方案和改进Z字型充气管方案,大型空间薄膜遮阳罩的展开路径明确,收纳比高且不会造成遮阳薄膜损伤。     

基于渐开线球齿轮的机器人柔性手腕结构与运动分析

介绍了一种基于渐开线环形齿球齿轮传动的机器人新型柔性手腕及其空间八杆驱动机构。该柔性手腕由六个球齿轮按特定规律串联而成,构成了一种多系杆的空间运动行星轮系机构。新型柔性手腕具有3自由度,可实现全方位偏摆运动和自旋运动,任意方位最大偏摆角可达126°,其运动性能明显优于著名的Trallffa柔性手腕。介绍了多个球齿轮的串联结构型式,分析了新型柔性手腕的结构特点和动作原理。对驱动机构进行了可动性分析,建立了驱动机构的运动学模型。分别进行了手腕偏摆运动分析和自旋运动分析,利用Denavit-Hartenberg方法确定了六个球齿轮的位姿矩阵,推导了手腕输出轴偏摆角与第一级系杆框架偏摆角之间的关系,并求出了输出轴末端的坐标参数方程,建立了自旋运动正、逆问题运动学模型。上述驱动机构和柔性手腕的运动学分析模型成为设计控制系统的依据。     

Kinematics analysis and numerical simulation of a manipulator based on virtual prototyping

Manipulator kinematics refers the analytical study of the motion of manipulator, such as positions, velocities, and accelerations of the links of a manipulator. As formulating the suitable kinematics models for a manipulator is very crucial for analyzing the behavior of manipulators and light weight design of manipulators, many researches have been focused on it in recent decades with a result of many valuable contributions. However, current researches always focus on rigid manipulator, while the manipulator is always a rigid-flexible coupling multibody system, which can affect the accuracy of kinematics analysis and numerical simulation. This paper proposed a model of kinematics analysis of manipulator based on rigid-flexible coupling virtual prototyping. After a model of manipulator kinematics based on the D-H method was proposed, rigid-flexible coupling virtual prototyping-based kinematics simulation and numerical simulation was then put forward. The kinematical experiment is carried out based on manipulator physical prototyping, which demonstrates that the accuracy of the kinematics calculation and the rationality of design based on rigid-flexible coupling virtual prototyping. The design of a five-degrees-of-freedom manipulator is given as an example, which demonstrates that the methodology is obviously helpful to manipulator design.     

基于刚性折纸的新型可折展移动机器人折展原理分析及验证

针对现有轮式机器人的本体相对固定无法适应复杂环境的问题,将自由度较少、折展比大的刚性折纸机构与高效的轮式运动相结合,提出一种新型可折展移动机器人机构,提升了移动机器人在复杂环境下的通过性能。对此机构折展原理进行分析,得到机器人三维尺寸与驱动角之间的关系,并通过建立简化模型,对动力学进行研究,得到不同位置的驱动力矩随驱动角的变化,从而得到最优驱动布置方案,之后通过运动协调算法研究,实现了机器人移动与折展协调运动,使其能够在复杂环境中高效运动。最后搭建物理样机以及控制系统,并通过试验验证机器人的移动及折展性能。结果表明,该可折展移动机器人具有三维折展比大,运动灵活高效的优点,可通过切换姿态适应复杂路径,有望在探测、检测以及救援等工程领域得到应用。     

球面四杆机构近似函数综合的自适应方法

给出了球面运动刚体上具有二次鞍点意义的近似圆点的定义,提出了球面曲线的自适应圆弧拟合方法,把实现给定函数关系的球面机构综合转化为球面上曲线的自适应圆弧拟合逼近问题,建立了球面运动近似函数综合的数学模型和鞍点规划求解方法,由此在理论上阐明了球面四杆机构近似运动综合问题存在最优近似解和收敛性算法。为了克服初始值选取和获得全局最优解等困难,采用了遗传算法的思想,算例表明可行有效。     

Über verzweigungslagen bei sphärischen viergelenkgetriebenOn the change-points of the spherical four-bar linkage

In discussing the laws of motion of a specific linkage with variable parameters, the limiting or exceptional cases where a change-point position becomes possible is frequently of interest. In this paper it is explained how to obtain the ratios of velocities for spherical four-bar linkages with change-point positions. The positions of the relative pole axes 31 and 20 (i.e. motion of the input link with respect to the output link or motion of the coupler with respect to the fixed link) are of special interest. Passing to the limit leads to the corresponding plane four-bar linkages. Two examples, one linkage from the plane and one from spherical kinematics, conclude the paper.     

轴对称矢量喷管喉道运动学精度分析及实验

推力矢量技术主要通过控制矢量喷管偏转来实现矢量控制,轴对称矢量喷管具有偏转机构设计简便、矢量作用效果明显等优点,其喉道运动是完成喷气收扩的基础,为了研究其运动规律,设计了三环连杆传动控制结构;建立了喉道运动学及精度分析模型,讨论了A8两铰孔位置误差、电机伸缩量误差、两个铰座孔的位置误差、外环厚度方向误差对喉道的误差影响;设计搭建矢量喷管实体实验平台,通过非矢量运动实验,验证运动学及精度分析模型的正确性,为进一步喉道和喷口控制分析奠定一定基础。     

月球车样机通用运动控制系统的设计

针对构型不同的月球车原理样机,设计了基于TCP／IP通讯的通用遥操作运动控制系统。基于PCI04总线计算机和实时Linux的车载运动控制系统根据运动学模型和指令,协调控制月球车样机的运动。遥操作计算机发送遥控指令,监控样机运行。月球车样机通用控制系统为进一步研究月球车样机运动性能打下了基础。     

球形机器人动力学建模及运动特性分析

利用凯恩方法建立了非理想条件下球形机器人的动力学模型。分析了关节摩擦、滚动摩阻力矩、球壳不圆对球形机器人运动特性的影响,给出了球形机器人运动过程中球壳打滑问题产生的原因,仿真结果为球形机器人控制策略和机械设计提供了理论依据。     

A one-degree-of-freedom spherical mechanism for human knee joint modelling

In-depth comprehension of human knee kinematics is necessary in prosthesis and orthosis design and in surgical planning but requires complex mathematical models. Models based on one-degree-of-freedom equivalent mechanisms have replicated well the passive relative motion between the femur and tibia, i.e. the knee joint motion in virtually unloaded conditions. In these mechanisms, fibres within the anterior and posterior cruciate and medial collateral ligaments were taken as isometric and anatomical articulating surfaces as rigid. A new one-degree-of-freedom mechanism is analysed in the present study, which includes isometric fibres within the two cruciates and a spherical pair at the pivot point of the nearly spherical motion as measured for this joint. Bounded optimization was applied to the mechanism to refine parameter first estimates from experimental measurements on four lower-limb specimens and to best-fit the experimental motion of these knees. Relevant results from computer simulations were compared with those from one previous equivalent mechanism, which proved to be very accurate in a former investigation. The spherical mechanism represented knee motion with good accuracy, despite its simple structure. With respect to the previous more complex mechanism, the less satisfactory results in terms of replication of natural motion were counterbalanced by a reduction of computational costs, by an improvement in numerical stability of the mathematical model, and by a reduction of the overall mechanical complexity of the mechanism. These advantages can make the new mechanism preferable to the previous ones in certain applications, such as the design of prostheses, orthoses, and exoskeletons, and musculoskeletal modelling of the lower limb.