基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节设计与分析

为满足足式机器人跑跳等动态运动对关节柔性及其变刚度特性的迫切要求,借鉴生物关节柔性特征与主被动刚度调节机理,创新地提出了一种基于凸轮机构的新型变刚度仿生柔性关节。基于关节刚度特性分析,构建了关节整体刚度模型,并针对影响关节刚度特性的各结构参数开展了系统优化设计,研制出了一款紧凑型高集成度关节样机。关节样机性能实验结果表明,基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节具备理想的关节输出力矩与刚度调节范围,可通过关节固有刚度特性与动态刚度特性的主被动融合控制,实现关节瞬时刚度的动态非线性精确调节,能够满足机器人动态运动对关节柔性与刚度的需求。     

主-被动复合变刚度柔性关节设计与分析

为解决传统刚性机器人在特定领域应用受限问题,为其设计一款同时具有主、被动变刚度特性的复合式柔性关节。通过调查研究国内外变刚度柔性关节结构,对变刚度柔性关节按结构原理分为杠杆机构、凸轮机构两类,并基于凸轮机构原理,通过紧凑化设计实现了主-被动变刚度在同一关节的整合。建立该柔性关节数学模型,并对凸轮槽曲线进行了优化设计,得到了关节等效刚度随柔性变形量逐渐增大的凸轮槽曲线,在此基础上对柔性关节进行了刚度特性分析。对关节样机进行了静态刚度测量及动态抛掷试验,结果表明该变刚度柔性关节能够实现主、被动刚度调节功能,且在结构设计上适应现有机器人机构应用。     

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。     

基于折叠式串联簧片的可调刚度致动器设计

可调刚度致动器能为机器人动态性能和人机交互安全性带来显著提升。在对常见簧片型变结构式刚度调节机理进行分析总结的基础上设计一种基于折叠串联型平行排布簧片组的新型旋转式可调刚度致动器,分析其刚度调节原理并介绍样机机械结构。针对实际刚度调节机构中簧片与滑块滚子的间隙,建立修正的关节旋转刚度解析模型。通过系统试验证明了模型的准确性和整体方案的可行性。折叠式串联簧片的应用使系统在有限的尺寸和足够的承载能力下获得了更大的刚度调节范围。簧片的平行排布设计则实现了多组柔性单元滑块滚子运动的同步及关节驱动与刚度控制的解耦。     

自驱动关节臂坐标测量机双关节模组结构设计与优化

由模块化单关节构成的六自由度自驱动关节臂坐标测量机存在运动学求逆解困难、制造与安装误差大等问题,难以满足测量机高精度、低误差的测量需求。通过分析自驱动关节臂坐标测量机的工作原理和技术要求,提出双关节的设计指标,设计了一种集俯仰和旋转于一体的新型双关节模组,关节采用电机驱动、减速器输出和制动器保护的传动方案,对模组内部关键零部件进行选型和设计,并在SolidWorks软件中对双关节模组进行结构组装。利用ANSYS Workbench软件对双关节模组进行结构静态变形与双轴垂直度分析,并对关节外壳、端盖等部件进行结构优化。结果表明,双关节模组最大静力变形为0.02208mm,结构柔性变形为0.011029mm,关节主轴间垂直度误差为7.2″,优化后的关节外壳和端盖体积分别减少了9%和12%,满足双关节刚度和精度的设计要求。     

绳驱动柔性机器人运动学建模及主从控制研究

针对目前组装式绳驱动柔性机器人存在的装配复杂、控制精度差与刚度低等问题，提出了一种用于狭小空间探测的超冗余绳驱动柔性机器人。首先，设计了一种通过卯榫连接的绳驱动柔性机械臂，基于常曲率假设，利用MATLAB软件建立了该机器臂的运动学模型，并对其工作空间与绳长变化量进行了仿真分析；然后，分别设计了基于上位机软件界面和增量映射模型的主从控制方法；最后，搭建了单关节的柔性检测机器人系统样机平台，并通过旋转弯曲与负载弯曲试验，对所建模型和控制策略进行了验证。研究结果表明：新构型柔性机器臂可以解决柔性机器人刚度较低的问题，其运动特性明显优于芯柱型柔性机器人，其负载能力达到250 g时，末端位置的控制误差小于8%,满足柔性机器人的控制需求。     

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。     

运用超声电机的燃油调节器活门顶杆机构

设计了一种基于超声电机的燃油调节器活门顶杆机构.该机构通过滚珠丝杆与旋转型行波超声电机(traveling-wave rotary ultrasonic motor,简称TRUM)的输出轴相连,将电机的回旋运动转化成执行元件即活门顶杆的直线运动,通过控制PSoC产生脉冲信号的个数实现了超声电机的步进驱动,可以精确调节油门的大小.针对机构的工作环境对现有的TRUM型超声电机进行了密封性改进,使其可以适用于油压工况.建立了活门顶杆的数学模型,对其进行动力学分析,并通过样机试验进行验证,得到的结果与理论分析基本一致.试验表明,该机构样机可以达到设计要求并实现纳米级的定位精度.     

基于柔性并联机构的变刚度夹持器设计分析

提出一种新型双夹爪变刚度夹持器,每个夹爪是一个由四根对称旋转柔性支链组成的变刚度柔性并联机构（VSFPM）。夹持器由两个电动机驱动,其中一个宏动电动机用于控制夹爪的开合运动,适应被抓取物体的几何尺寸;另一个微动电动机用于控制柔性支链的旋转角度,以调整夹爪在开合方向的刚度,实现变刚度柔顺抓取,提高对被抓取物体几何形状、材料属性的适应能力。基于刚度投影方法,分析了基于旋转支链柔性并联机构在夹持方向上的变刚度原理;应用基于伴随变换的刚度分析方法,求得了夹爪在任意旋转角度下的刚度模型;通过有限元仿真分析,验证了刚度模型的准确性。此外,有限元分析结果表明,提出的VSFPM机构具有较大的刚度调整范围（0.178~9.663 N/mm）,为变刚度柔性夹持器设计提供了新的思路和方法。     

不同参数对交叉簧片型柔性铰链刚度特性的影响

在柔性铰链刚度特性分析方面,目前的分析方法大多是针对线性小变形的柔性铰链刚度特性,且没有全面地考虑不同参数对柔性铰链刚度的影响。关于大变形柔性铰链的刚度分析方法的研究也不多见。为了解决大变形交叉簧片型柔性铰链的刚度特性研究方法不足等问题,采用了理论分析、有限元模拟和实验测量3种分析方法,对柔性铰链的刚度特性进行了研究。首先,基于欧拉伯努利梁对交叉簧片型柔性铰链进行了理论分析,建立了非线性大变形力学模型,并用L-M数值迭代法进行了求解,分析了柔性铰链的垂直、水平和旋转刚度,并研究了不同几何参数和载荷对刚度的影响;然后,选择了7组不同柔性铰链参数,建立了柔性铰链的有限元分析模型,设计了可调节几何参数和施加复合载荷的柔性铰链刚度特性测量平台;最后,使用理论分析、有限元模拟和实验测量3种方法对柔性铰链刚度特性进行了分析与研究。研究结果表明：3种方法对柔性铰链的刚度分析结果总体的误差小于9%,证明了该方法是有效的;其中,柔性铰链的旋转刚度远小于水平刚度和垂直刚度,且随着载荷的增加产生了非线性;在影响因素方面,水平载荷和交叉系数对旋转刚度影响较大,垂直载荷和交叉角度对旋转刚度影响较小。该研究结果可...     

结构/机构可靠性实验中柔性模拟接头的设计方法研究

接头的柔性对结构 /机构可靠性实验结果有很大影响。针对此问题提出了一种用组合弹簧来模拟接头柔性的柔性模拟接头的设计方法 ,给出了柔性模拟接头参数化设计的计算方法 ;结合理论方法 ,开发了能够计算给定载荷和位移条件下柔性模拟接头参数的应用软件 ,实验算例说明了该方法的可行性     

双足步行机器人的下肢机构设计

为使足行拟人机器人的下肢机构结构更加紧凑灵活,提出了一种串并联结构相结合的双足步行机器人下肢机构设计方案。在该方案中,设计了二自由度的并联机构作为十字交叉的二自由度关节结构,并用于二自由度的踝关节和两个方向转动的髋关节。设计了单自由度平面连杆机构用于膝关节和一个方向转动的髋关节。详细描述了足行机器人下肢机构的踝关节、膝关节和髋关节的结构设计,为双足机器人的步态控制打下基础。     

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。     

Modeling and simulation of joint clearance effects on mechanisms having rigid and flexible links

In this study, kinematic and dynamic characteristics of a planar four-bar mechanism having joint clearance and link flexibility are investigated. Assuming that joint clearance as a virtual massless link, artificial clearances are developed at crank-coupler and coupler-follower joints. Contact model in joints with clearance is established using the nonlinear spring-damper model and the friction effect is considered using the Coulomb friction model. Then the simulation is implemented and the kinematic and dynamic characteristics of model mechanism are investigated. The computational methodology can predict the effects of clearance on planar mechanism having rigid and flexible links. The results are evaluated for the case of stationary phase, and naturally show that extreme values occur in output of the mechanism with clearances. Due primarily to the suspension effect of the flexible link, values of these peaks in the flexible mechanism decrease relative to that of the rigid mechanism. In addition, the flexibility has a significant effect on the vibration response of the mechanism with joint clearance.     

基于DSP/FPGA的模块化柔性关节轻型机械臂

介绍了模块化柔性关节轻型机械臂的机械系统设计、传感器系统设计以及电气系统设计.整个机械结构设计与电气设计实现了机械臂的轻型化,提高了其负载/自重比.针对关节柔性的存在,给控制带来的巨大挑战,设计了基于DSP/FPGA的硬件结构,用来实现柔性关节轻型机械臂的实时控制与柔顺控制.     

镓基液态金属柔性应变传感器的设计优化与实验验证

为了描述传感器微通道结构对传感器输出特性的影响，本文引入传感器横纵微通道长度关系的参数横纵比，综合考虑传感器中垂直和平行于应变方向的微通道中液态金属在应变下的电阻变化规律，建立了镓基液态金属柔性应变传感器数学模型。根据建立的数学模型，优化设计并制备了5种应变传感器样品，在40%应变范围内进行实验。结果表明本文建立的数学模型可以良好地预测不同微通道结构传感器的输出，并为设计优化高灵敏度传感器提供了方向。实验测试结果表明设计的应变传感器在40%应变时的灵敏度为2.01、滞后度为5.1%,且重复性和输出稳定性较高。将设计的传感器用于手指、手肘的关节运动检测，探索了镓基液态金属柔性应变传感器在关节运动检测方面的应用。本文为镓基液态金属柔性应变传感器在可穿戴领域中的应用提供了理论支持。     

应用于压电叠堆泵的柔性铰链放大机构的设计和性能分析

研制了一种应用于压电叠堆泵的柔性铰链放大机构,通过有限元方法分析了一些主要机构参数对柔性铰链放大机构输出位移的影响,并对其参数进行了优化设计.在此基础上加工制造了样机,并通过试验验证了其良好的位移放大性能和动态响应特性.     

单刀多掷开关的机电一体化设计

设计了一种高功率波导单刀多掷开关,将大功率波导旋转关节技术与传统电动波导开关技术相结合,实现输入端口与N路输出端口之间的高功率通道切换,从而达到采用一个单刀多掷开关替代多个传统单刀双掷开关的目的。该开关结构形式简单,驱动方便灵活,体积、重量及成本可以得到大大降低,可靠性得到较大提高。在整个切换过程中,开关承受功率高、损耗低、驻波小。实际加工了一个高功率波导单刀多掷开关,给出了实验结果,验证了该设计的可行性。     

谐波驱动柔性臂系统耦合动力学建模及辨识

为研究谐波驱动的柔性臂系统耦合动力学建模问题,分别进行了谐波驱动模型的参数辨识和柔性机械臂振动特性的耦合动力学模型辨识。通过阶跃电流激励和低匀速转动实验辨识出了关节的库伦摩擦力,在伪随机二进制信号的激励下,辨识得到了包含驱动系统转动惯量和黏性摩擦因数的驱动传递函数模型,将其与实际结构系统比较验证了此模型的准确性。理论分析了振动耦合力矩和柔性臂应变输出电压之间的线性关系,辨识得到了从电机转动角位移到柔性臂应变电压输出之间的传递函数,其输出在时域和频域上都与实际系统比较吻合,说明了建立的传递函数模型对于实际系统的适用性。综合两个辨识得到传递函数模型,实现了对谐波驱动的柔性机械臂系统的耦合动力学建模。