基于永磁弹簧-摆动导杆的变刚度机构力学特性研究

提出一种可用于变刚度关节驱动器的永磁弹簧-摆动导杆变刚度机构,采用轻质绳索牵引改变永磁弹簧气隙间距及初始刚度,同时利用摆动导杆机构运动改变内外圈相对转动所需扭矩大小。分析了变刚度机构的刚度调节机理,阐述了变刚度机械结构。通过永磁弹簧气隙间距-磁力实验结果获得永磁弹簧刚度模型,并根据变刚度机械结构建立的静力学模型分析了机构的力学特性。通过Matlab数值仿真,结果表明永磁弹簧初始刚度对弹簧压缩量及导杆转角的影响规律。根据永磁弹簧与定刚度线性弹簧的绳索拉力变化,对比结果表明采用变刚度永磁弹簧可以进一步增加绳索的拉力变化范围,即可以有效增大机构的刚度变化范围。     

永磁变刚度柔性关节的力学分析与控制器设计

提出一种采用永磁弹簧、绳索驱动、梯形布置的拮抗式变刚度柔性机器人关节,能够根据任务需要,实时调节关节刚度。所述永磁弹簧装置,在绳索提供力矩一定的情况下,增加了关节刚度变化范围,同时减小操作臂的质量与惯量。对提高柔性机器人关节的运动性能具有重要意义。对关节空间与绳索空间的映射关系进行推导并利用雅可比矩阵和模型间静力学关系,得到关节刚度模型,进而实现关节刚度与位置解耦。以轨迹控制为目标,设计了一种双闭环解耦控制器,并进行了试验验证。仿真分析与试验结果共同表明,该柔性关节在较宽刚度调整范围内,都具有较好的位置响应特性和轨迹跟踪能力。上述结构与控制方式同样也适用于多自由度并联柔性机器人关节。     

基于有限元法的ZC3型蜗轮蜗杆啮合刚度计算

蜗轮蜗杆啮合刚度计算是其动力学分析的基础,针对乌兹别克斯坦Maidanak天文台1 m望远镜蜗轮蜗杆传动改造项目,基于ZC3型蜗轮蜗杆加载接触有限元分析原理,提出了ZC3型蜗轮蜗杆时变啮合刚度计算方法,应用有限元软件Workbench构建有限元模型并得到了ZC3型蜗轮蜗杆啮合刚度曲线。计算结果表明,ZC3型蜗杆副啮合曲线具有明显的周期性,啮合刚度的最小值出现在双齿接触区内前1对轮齿退出啮合的位置,最小啮合刚度为104.4 MN·m。啮合刚度的最大值出现在单齿接触区的中部,最大啮合刚度为219.7 MN·m。研究结果为该改造项目后续的动力学分析提供了基础条件。     

柔性齿条式变刚度关节驱动器设计与研究

关节驱动器对于提升机器人环境适应能力和降低能量消耗具有重要意义。设计并实施一种柔性齿条式变刚度关节驱动器,能够根据任务需要,实时调节关节刚度。详细阐述关节驱动器的变刚度原理,详细展示该关节驱动器的机械结构。建立柔性齿条式关节驱动器的静力学模型,推导关节刚度与调整位移之间的理论关系式。完成了软件仿真和系统试验,验证了本方案的可行性。柔性齿条式变刚度关节驱动器能够有效缩小驱动器的整体体积,同时具有较大的刚度调整范围以及较短的刚度调节时间。     

蜗轮蜗杆参数化设计及运动仿真

在Pro/E环境下,以蜗轮蜗杆零件的三维建模为基础,将变参设计巧妙融入到零件三维实体的创建过程中,通过生成的可视化变参对话框,实现蜗轮蜗杆的快速建模,在此基础上,对快速建模的蜗轮蜗杆进行了虚拟装配和运动仿真,为蜗轮蜗杆机构的后续研究奠定了基础.     

拮抗变刚度关节驱动器设计与特性分析

机器人关节驱动器是人机交互运动得以实现的关键。为使服务机器人更好地完成与人之间的交互,根据仿生拮抗驱动原理,设计了一种主动变刚度的柔顺关节驱动器。同时建立了变刚度驱动器的数学模型,借助MATLAB软件分析,得到了变刚度驱动器静载下的静态刚度曲线,结果表明该关节驱动器具有良好的变刚度特性和安全性。此外,结合ADAMS虚拟样机和实物样机实验平台,分析了转角差δ=0°和δ=15°时小球的平抛情况,实验结果表明驱动器具有良好的储能特性和安全性。     

绳索驱动式变刚度关节柔顺控制与力补偿方法研究

机器人柔顺运动有助于提高机器人交互运动时的安全性与稳定性,越来越受到人们的重视。针对一种绳索驱动式具有主被动柔顺性的柔性机器人关节,提出一种适用于绳索驱动式变刚度关节的刚度与位置解耦控制方式,实现了关节位置控制的同时,又实现了关节柔顺性的统一。利用雅可比矩阵和模型间静力学关系,得到关节刚度模型,并通过优化方法对变刚度装置的力学模型和刚度模型构成的非线性方程组求解,实现变刚度关节刚度与位置的非线性解耦。在解耦控制基础上提出一种力矩观测方法,实现了关节力矩补偿,增强了关节位置控制能力;建立了绳索驱动式变刚度关节样机和控制系统,并通过仿真和实验分析的方式验证了所提柔顺控制方式的可行性和有效性。     

圆柱蜗杆传动的优化设计

以圆柱蜗杆传动机构为研究对象,蜗轮体积最小为目标函数,蜗轮齿面接触强度、蜗杆刚度、蜗杆头数、蜗轮模数和蜗杆直径系数的限制等要求为约束条件,建立优化设计的数学模型。以Matlab为求解平台编写M文件进行优化设计,最终求得蜗轮蜗杆的最优结构尺寸,使得蜗轮齿圈体积减小到常规设计的75%,对于机械结构设计具有重要的意义。     

蜗杆蜗轮传动受力分析与效率计算

由电机带动驱动器实现汽车座椅靠背的角度调节,电机的高转速和低扭矩通过蜗杆蜗轮的一级减速后再经齿轮二级减速就可以满足座椅前后调节需要的大扭矩低速度的条件.对蜗杆蜗轮之间的受力进行了分析,并计算了传动效率.     

基于磁流变原理的变刚度驱动方法研究

针对机器人关节变刚度驱动的功能需求,提出了一种基于磁流变原理的变刚度驱动方法,该方法利用旋转式磁流变阻尼器力矩可控且响应速度快的特点,结合伺服电机与旋转式磁流变阻尼器,构成变刚度驱动器。基于变刚度驱动器构型,分析了变刚度驱动原理。完成了用于变刚度驱动器的旋转式磁流变阻尼器的设计,获取了阻尼器的力矩值与磁动势值。基于变刚度驱动器构型和阻尼器力学特性,设计了变刚度控制流程,开发了控制程序。在此基础上,研制了旋转式磁流变阻尼器及其力学性能测试系统,获取了阻尼器的实际力学性能参数,阻尼最大力矩为18.1 N·m;建立了变刚度驱动器试验系统,完成了试验研究,分别设定刚度系数为5.0 N·m/rad, 6.0 N·m/rad, 7.0 N·m/rad时获得的实际刚度系数分别为5.1 N·m/rad, 6.2 N·m/rad, 7.1 N·m/rad。试验结果表明,所提出的方法可以较好的实现驱动器的刚度调节。     

一种旋转型弹性驱动器设计及动力学性能仿真分析

为提高柔性机器人的运动性能,设计了一种基于弧形螺旋弹簧的旋转型串联弹性驱动器,采用多级回转轴承组合结构,将刚度不同的弹簧内外双层串联,实现关节的大范围柔性输出。建立弹性驱动器动力学模型,采用反演控制方法,设计了弹性驱动器柔性关节控制器;采用Matlab和Adams软件进行联合仿真,对外力干扰下柔性关节的动力学性能进行了仿真分析。结果表明,控制器能够克服干扰力使柔性关节在0.59 s内恢复平衡状态,验证了所设计弹性驱动器结构和控制规律的有效性。     

一种基于CATIA的蜗轮蜗杆建模方法研究及应用

蜗轮蜗杆传动在实现大传动比减速器中应用广泛。为了缩短蜗轮蜗杆设计周期、提高效率及降低研发成本,以某阀门执行装置减速器中蜗轮蜗杆为原型,基于CATIA软件详细介绍了其建模方法。将建好的模型导入ANSYS软件,对蜗轮蜗杆的啮合情况进行有限元仿真,得到其齿面接触应力分布。根据Hertz弹性碰撞理论,在ADAMS软件中进行蜗轮蜗杆刚体动力学分析,得到蜗轮蜗杆啮合力,进一步将蜗轮蜗杆作为柔性体,在ADAMS软件中进行刚柔耦合分析,得到啮合力及齿面齿根处接触应力,将刚柔耦合分析结果与刚体分析结果进行比较发现其基本一致,同时将刚柔耦合分析得到的齿面齿根处接触应力与有限元分析结果对比发现相近,偏差仅为5.3%。加工蜗轮蜗杆组件并在蜗轮蜗杆试验机上根据径向跳动偏差及啮合面接触斑点判定进行啮合测试,结果显示啮合质量良好;应用该蜗轮蜗杆的减速器整机在试验台进行强度及疲劳测试,累计运转1 200 h后蜗轮蜗杆状况良好,无明显疲劳斑,满足合作企业加工要求。仿真分析及测试结果表明基于CATIA软件的蜗轮蜗杆建模方法准确可行,可以为产品开发提供参考。     

蜗杆驱动器腔体内锪平面工装改进

我厂生产多种规格的阀门用手动驱动器，其中主要产品是90°回转蜗杆蜗轮驱动器，适应蝶阀、球阀等。箱体的结构形式基本类似，三维图形如图1所示，加工中需要进行蜗杆轴孔内腔的锪平面加工，如图示箭头位置，要求与两轴孔中心线的垂直度0.03mm，锪平即可，以保证蜗杆副的传动效率。     

基于刚柔耦合的蜗轮蜗杆疲劳寿命分析

针对机械传动机构中蜗轮蜗杆在正常载荷作用下发生疲劳破坏的问题,通过Recurdyn对蜗轮蜗杆进行刚柔耦合分析,得出了蜗轮蜗杆的载荷应力应变云图。基于耦合分析结果,通过FAMFAT对蜗轮蜗杆的疲劳寿命分析,得出了蜗轮蜗杆疲劳寿命与安全系数,确定了载荷应力集中是引起疲劳破坏的主要原因,分析结果为进一步结构优化有重要意义。     

可调偏置式SMA双程驱动器设计及驱动特性分析

偏置式SMA弹簧双程驱动器的驱动弹簧和偏置弹簧一旦确定,则驱动器的工作温度就无法改变。针对这一缺点,设计了一种通过调节偏压力来改变工作温度的可调偏置式SMA双程驱动器。基于Brinson一维本构模型得到SMA弹簧理论模型,并结合弹簧受力变形分析设计了SMA弹簧和偏置弹簧。仿真得到SMA弹簧刚度-温度、驱动器位移-温度、驱动力-温度变化曲线,并对不同偏压力下驱动力随温度变化关系进行研究,结果表明所设计的驱动器可实现双程运动,调节偏压力可有效改变驱动器的响应温度。     

基于振动的蜗杆蜗轮减速器状态监测方法研究

蜗杆蜗轮减速器由于减速比大、传动平稳，在工业上得到了广泛的应用。当出现故障时，蜗杆蜗轮减速器磨损状态的监测往往要停机检查，检修周期长。本文基于蜗杆蜗轮减速器工作中振动信号的测量和分析，提出了一种蜗杆蜗轮减速器磨损状态的振动监测方法。该方法可在线测量蜗杆蜗轮振动信号以及分析蜗杆蜗轮减速器的磨损状态。通过工厂实际测试和分析，证实了该方法的有效性。     

蜗轮蜗杆试验台测控系统设计

设计了一套基于西门子SIMOTION D的蜗轮蜗杆试验台测控系统,通过模拟蜗轮蜗杆在工作状态下输入端的转角和输出端所受到的阻力,来测试蜗轮蜗杆的性能。介绍了测控系统的设计方案,并在试验台上进行了测试实验。     

ZA型蜗轮的精确建模与修形

研究了ZA型蜗轮的建模与修形技术,为蜗轮五轴数控加工编程提供精确的三维模型。建立车刀、蜗杆、蜗轮的坐标系,在此基础上得出车刀坐标系到蜗杆坐标系、蜗杆坐标系到蜗轮坐标系的转换公式;推导得出车刀刃口方程,根据车刀坐标系到蜗杆坐标系转换公式可得出蜗杆齿面方程;根据齿轮啮合原理,推导得出蜗杆蜗轮啮合方程;将蜗杆齿面方程、蜗杆蜗轮啮合方程、蜗杆坐标系到蜗轮坐标系的转换公式联立即为蜗轮齿面方程;根据蜗轮副啮合区的要求,对蜗轮齿面方程计算出来的齿面点集进行法向向内偏移,使得蜗轮齿面修鼓。最终的啮合区图表明:修形蜗轮与标准蜗杆的啮合性能符合使用要求。     

基于力反馈的液压柔顺驱动器补充能量控制

在大型足式机器人的驱动系统中,使用液压柔顺驱动器进行补充能量控制可以极大地提高机器人的续航能力,因此具有很强的实用价值。首先通过扫频的方式分别得到驱动器输出端空载状态位置频率特性曲线和输出端静止状态力频率特性曲线,然后通过MATLAB的ident系统辨识工具箱进行模型辨识得到较准确的驱动器数学模型。基于上述模型采用自抗扰力控制器,实时估计扰动及对其进行有效的补偿,取得了较好的力控制效果,进而通过力控制将液压缸等效为变刚度弹簧。建立液压柔顺驱动器中液压能、驱动器能量和热能三种能量的动态模型,并对简化运动过程中三种能量之间的转换规律进行分析。基于变刚度策略对运动过程进行了补充能量控制,提高了能量使用效率。不同负载质量和不同液压缸刚度情况下的水平方向运动试验结果验证了上述控制策略的有效性。     

绳索-弹簧机构工作空间分析

对于绳索牵引并联机构,因绳索只能承受拉力而不能承受压力,因此完全约束的n自由度绳索牵引并联机构至少需要由n+1根绳索来驱动,冗余驱动会导致成本增加,绳索拉力求解复杂。绳索牵引并联机构中,在末端执行器与机架之间选择适当位置引入弹簧,构成绳索-弹簧机构,由弹簧来提供被动力,则可以实现绳索驱动器与自由度数目相同的可控绳索-弹簧机构。以平面3根绳索1根弹簧机构为例,建立模型,求解可行工作空间,分析弹簧参数对绳索-弹簧机构可行工作空间的影响,采用遗传算法对机构构型进行优化,并对比分析优化前后的工作空间指标。结果表明,绳索-弹簧机构在构型优化选择适当的弹簧参数后,可以显著改变工作空间及其质量,为后期规划动平台的运动轨迹提供参考。