基于2R伪刚体模型的柔顺机构动力学建模及特性分析

柔顺机构是利用机构中柔性构件的自身变形来实现运动、力和能量的传递和转换的一种新型机构,是机构学研究领域的前沿课题之一。以柔顺机构中的柔顺杆为研究对象,基于2R伪刚体模型(Pseudo-rigid-body model,PRBM)提出末端受不同载荷形式(力矩或垂直力)作用下的动力学新模型,分析其动能和变形能,应用拉格朗日方程推导其动力学方程。通过与1R伪刚体动力学模型(Pseudo-rigid-body dynamic model,PRBDM)对比,从方程特征、响应曲线等方面分析各动力学模型的特点,从而展示基于2R伪刚体模型的动力学模型优越性,并以平行导向柔顺机构为例验证了模型的有效性。分析结果表明,基于2R伪刚体模型的动力学模型不仅可以反映柔顺杆整体大范围变形状况,而且描述出杆件内部局部变形状况,可以更真实地体现柔顺机构的动力学特性,更加适合于柔顺机构的动力学分析与设计。*     

柔顺杆件固定-导向1P2R伪刚体模型

针对固定-导向模式的伪刚体模型模拟柔顺杆件末端位置精度不高且无法表现轴向变形的问题,基于伪刚体模型的原理提出了一种高精度的固定-导向1P2R伪刚体模型。首先综合考虑柔顺杆件各个方向的变形,构建了包含两个转动副和一个移动副的固定-导向1P2R伪刚体模型;其次建立了该模型的运动学方程,并根据优化算法求解了伪刚体模型的最优特征半径系数,利用一元线性回归方法得到了该模型的弹簧和扭簧刚度系数;最后通过数值算例模拟固定-导向1P2R模型末端的动作路径,并将其与固定-导向伪刚体模型及柔顺杆件的末端路径进行对比。结果表明,固定-导向1P2R伪刚体模型完全能够模拟相应柔顺杆件的末端动作过程,且模拟精度高于固定-导向伪刚体模型。研究证明了该模型的优越性,对柔顺机构的变形分析亦有重要参考意义。     

柔顺机构PRR伪刚体模型的研究

在已有伪刚体模型的基础上,将柔顺机构里大变形柔顺杆的轴向变形和横向变形的影响都考虑进去,增加伪刚体模型的自由度,提出一种具有两个转动副和一个移动副的多自由度伪刚体模型。该模型将4个不同长度的刚性杆件用一个拉压弹簧和两个不同刚度系数的扭转弹簧依次连接,进而建立柔顺机构中大变形柔顺杆的PRR伪刚体模型。模型的参数运用二维搜索和线性回归法求得。通过数值分析计算,将该伪刚体模型与1R、和PR伪刚体模型以及柔顺杆的末端轨迹进行分析对比,验证了PRR伪刚体模型能够更加精确地反映柔顺杆末端轨迹的变形特征。     

固定-导向柔顺杆件6R伪刚体模型

为提高固定-导向型伪刚体模型的计算精度,基于伪刚体模型的原理提出了一种固定-导向6R伪刚体模型。建立了该模型的运动学方程,并根据逆运动学分析方法及优化算法求解了模型的4个最优特征半径系数和3个扭簧刚度系数。通过数值算例模拟固定-导向6R伪刚体模型的末端动作路径,并将其与固定-导向2R伪刚体模型及柔顺杆件的末端路径进行对比。结果表明,固定-导向6R伪刚体模型能够更加精确地模拟相应柔顺杆件的末端动作过程,且其相对误差几乎为0。最后,通过ANSYS有限元分析实例验证了该模型在实际计算中的精确性。     

柔顺机构动力学建模新方法

由于柔性杆大变形所引起的几何非线性因素的影响,柔顺机构动力学模型的建立变得更加复杂、困难。基于此,在充分考虑柔性杆大变形特性的基础上,基于简化思想,提出一种柔顺机构动力学建模的新方法。该方法主要以末端受纯弯矩、垂直力以及固定—导向等3种模式下的柔性杆为研究对象,根据欧拉—伯努利方程,并结合伪刚体模型所得边界条件,利用最小二乘原理,拟合柔性杆的变形曲线方程;通过求解变形曲线对时间的导数,得到其上任意点的速度,进而推出柔性杆的动能表达。基于伪刚体模型,根据功能转换关系,推导出柔性杆的变形势能。在此基础上,建立平行导向柔顺机构的动力学模型。最后,结合具体算例,通过对几种不同模型所得系统频率比较分析,验证了该方法的有效性。     

基于3R伪刚体模型的柔顺杆动力学建模及分析

介绍了柔顺机构中的3R伪刚体模型。利用Matlab软件的符号运算推导出了该模型柔顺杆的动能和变形能方程。应用拉格朗日方程建立了柔顺杆末端载荷作用下的动力学模型。特征半径系数和刚度系数代入方程组获得向心力、惯性力矩、科氏惯性力矩等系数,并分析了其相互耦合对伪刚体角变量的影响。通过数值求解二阶变系数微分方程组获得动态响应曲线和位形图,曲线反映出伪刚体杆从1杆到3杆振幅逐渐增大、杆件的耦合降低的振荡情况,较2R伪刚体模型的动力学方程模拟柔顺杆动力特性更具实用性和通用性。     

力矩载荷下的柔顺机构2R伪刚体动力学模型

柔顺机构的研究在结构学及运动学方面取得了大量成果,但是在动力学方面的成果却很少。本文首次以柔顺杆为研究对象,建立其在力矩载荷下的2R伪刚体动力学模型,并应用拉格朗日方程推导出动力学方程,进行了动力学响应分析,给出了相应的动态位形图。同时与1R伪刚体动力学模型做比较,从方程、响应曲线等方面分析2R伪刚体动力学模型的特点,表明此模型的优越性。     

柔顺机构的传力效益分析

基于柔顺机构的伪刚体动力学等效模型,结合刚体机构的做功与能量转换原理以及瞬心法,对柔顺机构的传力效益进行了分析,推导出了柔顺机构的力传递效益与机构位置关系的表达式.算例结果显示,采用伪刚体法分析的柔顺机构传力效益与实际效果吻合较好.     

柔顺机构柔顺关节的动应力分析

以伪刚体动力学模型为基础，对一个平面柔顺导向四杆机构柔顺关节处的动应力进行了详细的分析，并针对柔顺机构运动特点研究了柔顺杆的运动效果对动应力的影响，给出了数值算例，验证了结论的正确性。     

基于附加弹簧双滑块四杆机构的柔顺恒力机构设计

给出一种基于伪刚体模型的柔顺夹持器设计方法。基于附加弹簧双滑块四杆机构构造了一种具有恒力特性的柔顺夹持机构。建立了机构位置分析模型,利用虚功原理构建运动静力学方程,分析弹簧刚度对机构输出特性的影响,获得了具有一种恒力特性的柔顺夹持机构设计方法。基于伪刚体模型,将附加弹簧以柔性模块替代,得到一种新型柔顺恒力机构。利用有限元分析软件验证该机构理论模型建立柔顺恒力机构的可行性;构造了一种具有对称结构形式的新型柔顺恒力夹持器。该柔顺恒力夹持器的设计方法也可应用于其他类型附加弹簧机构的非线性刚度特性柔顺机构设计。     

平行导向柔顺机构动力学建模及其频率特性分析

基于柔性体模型,结合伪刚体模型所得边界条件,建立了平行导向柔顺机构的动力学模型.以此动力学模型,讨论柔性杆截面参数、几何结构参数以及材料性能参数对系统频率的影响.所得结论对柔顺机构的结构设计及其工程应用提供理论指导.     

基于伪刚体模型的柔顺簧片性能分析

柔顺簧片的性能对微动机构运动精度具有较大影响,因其具有非线性、大变形等特点,根据Bernoulli-Euler方程,结合伪刚体模型,建立柔性簧片力学特性分析模型。研究载荷、位移,曲率等与柔顺簧片几何参数之间的关系,并求得系统的力学方程。最后通过算例分析柔顺簧片在精密导向机构中的应用,其为精密微动装置的设计提供一定的理论依据。     

一种2自由度柔顺移动并联机构研究及其在对接装置上应用

利用伪刚体模型研究了柔性曲梁的弹性回复力和刚度特性,推导出了柔性曲梁的直线刚度表达式,其结果表明通过改变曲梁的预变形量可以改善曲梁的刚度特性,使其具有近似线性化刚度特点。利用该特点,提出了一种双曲梁支链结构形式。结合伪刚体模型和螺旋理论,探讨了该双曲梁支链的自由度和运动特性,进而设计出了一种2自由度柔顺移动并联机构。根据机构运动特点,推导出了其简化运动学和动力学方程,给出了并联机构平台的工作空间和刚度性能,对并联机构平台的极限扭转力矩进行了研究,并制作了柔顺移动并联机构实物样机,对其运动特性进行了试验验证。最后,将2自由度柔顺移动并联机构应用于无人艇水样对接装置设计,利用ADAMS仿真了对接过程,结果表明,该装置能在有较大的径向平移偏差和角度偏差的情况下,完成公头和母头的柔顺对接。     

一种柔顺五杆机构的动力学建模与仿真

以一种柔顺五杆机构为模型,该机构包含柔性铰链与柔性杆。通过伪刚体模型法建立了伪刚体模型,并进行了动力学分析。随后,进行了该机构的频率特性分析以及受力分析,为下一步该机构的设计奠定了的理论基础。     

基于有限元法的柔顺机构动力学分析

为描述柔顺机构动力学特性,需要建立其动力学模型。基于有限元法,根据Lagrange方程建立柔顺机构的动力学方程。在此基础上,得到机构各阶固有频率和模态,并给出固有频率和模态对各项设计变量的灵敏度计算方法。推导出柔顺机构中柔性杆件上任意一点应变的算法,计入应变中的非线性项。求解柔性杆件上任意位置的动应力,并计算杆件在各个时刻的最大应力及出现的位置。以平面柔顺四杆机构为例进行分析,说明基于有限元法对柔顺机构的动力学特性分析的可行性和有效性,并且指出柔顺机构杆件的动应力和应变分析对柔顺机构的优化设计具有重要意义。     

模拟柔顺机构中柔顺杆件末端特征的2R伪刚体模型

柔顺机构是一种新型机构,其中包含的柔顺杆件会因为产生大变形而导致分析起来十分复杂。伪刚体模型能够简化柔顺杆件的大变形分析。基于伪刚体模型的原理,针对柔顺机构中的柔顺杆件,提出以末端转角参数化近似方法为基础的2R伪刚体模型。该模型用两个不同劲度系数的扭转弹簧连接3个不同长度的刚性杆件,并用特征半径系数表征刚性杆件的长度,用刚度系数表征扭簧的扭转能力,通过二维搜索得到模型的最优特征半径系数,应用线性回归方法得到模型的刚度系数。该模型能准确模拟柔顺机构中柔顺杆件的末端变形轨迹和变形角度。推导柔顺杆件和伪刚体模型变形时的应变能公式,通过数值对比,从能量角度评价伪刚体模型储存应变能的能力。     

基于多刚体离散元模型的柔顺机构动力分析新方法

柔顺机构是部分或者全部由其构件的预期弹性变形来传递运动和力,这使得构件的弹性变形一般都较大。它的分析一般属于几何非线性问题。基于弹性体的多刚体离散元模型,研究了柔顺段和柔顺机构的多刚体离散元建模方法,推导了柔顺机构系统的一般控制方程,该方程可以解决柔顺机构的特征频率和几何非线性变形问题。并给出了算例,计算结果表明多刚体离散元方法能较好解决柔顺机构的几何非线性静力学和动力学分析。     

含大变形柔顺杆的柔顺机构应变分析

为了描述含大变形柔顺杆的柔顺机构的动力学特性,需要建立其动力学模型。利用有限元法描述柔顺杆件的变形,根据Lagrange方程建立了含大变形柔顺杆的柔顺机构的动力学方程。在此基础上,推导了柔顺机构中大变形柔顺杆上任意一点的应变的算法,计入了应变中的非线性应变项——附加拉压应变。以平行导向柔顺机构为例,将理论计算结果与实验结果进行对比和分析,相互验证了实验系统和理论模型的有效性和正确性。     

刚柔混联的草莓采摘机械手结构设计与动力学分析

针对草莓形状不规则、组织娇嫩,容易受机械损伤,难以实现高效低损的机械化采摘作业的问题,提出一种刚柔混联的机械手结构。为了建立柔顺伪刚体模型,将柔顺构件等效为具有欠驱动关节的多刚体串联系统;采用影响系数法建立柔顺构件等效多刚体系统的动力学模型,对机械手柔性构件的动力学特性进行仿真分析与样机试验研究。仿真和试验结果表明,采用力反馈的刚柔混联机构具有良好的包络性、可控性、平稳性及速度特性,适合于草莓的柔顺抓取控制,该成果可为草莓等果蔬无损采摘机械手的设计及优化提供借鉴和参考。     

基于伪刚体动力学模型的柔顺机构驱动特性研究

基于柔顺机构的等效伪刚体动力学模型,对柔顺曲柄滑块机构的驱动问题进行了研究.当给定从动件的运动规律时或者当从动件产生预期变形时候,分析了求解原动件驱动问题的一般方法,并与有限元分析方法进行了比较,结果表明该方法有效.