一种过约束并联机构受力的数值仿真分析方法

鉴于目前对过约束并联机构进行受力仿真分析的研究非常少,提出了一种对该类机构受力的数值仿真分析方法。将机构的动平台、定平台及所有运动副视作刚体,将易产生空间复合弹性变形的分支杆视为柔性体,用虚拟关节代替外形复杂的运动副模型,结合三维建模软件、ANSYS软件及ADAMS软件建立与理论模型完全一致的刚柔混合模型;仅改变驱动量使机构运动到指定位形,便能实现对机构在任意位形下的受力分析,避免了对机构的不同位形重建模型。采用该方法对三种类型的过约束并联机构进行了受力分析,分析结果验证了该方法的正确性,同时也表明该方法具有一定的通用性,且无需复杂的理论计算,便能获得过约束并联机构在任意位形下的驱动力和各关节约束反力大小,为此类机构的受力分析提供了便捷途径。     

新型并联太阳跟踪装置的动力学分析

针对并联装置的结构复杂性、动力学模型的高度耦合性和非线性问题,以一种并联太阳跟踪装置为研究对象,对其机构运动特点和逆运动学进行了分析,基于U-K理论提出一种应用于并联机构的拉格朗日法和U-K理论相结合的动力学建模方法。首先,运用拉格朗日法求解了并联机构各支链的动力学模型;其次,考虑并联机构支链对动平台的约束关系,利用层级堆聚思想,在不引入拉格朗日乘子的情况下建立了跟踪装置的基于约束的动力学模型;最后,利用MATLAB和ADAMS联合仿真对所建立的动力学模型进行了求解和验证。结果表明理论计算与仿真分析的一致性。     

空间并联机构运动学与动力学逆解的模块化计算方法

应用模块化计算方法研究了空间并联机构的运动学与动力学逆解,计算效率能够满足实时控制的要求。通过对各类支链运动学及动力学逆解的分析,应用牛顿-欧拉法并引入拉格朗日乘子建立了空间并联机构的动力学逆解模型,提出了空间并联机构运动学与动力学逆解模块化计算软件的系统构架。结果表明该方法适用于各类非冗余空间并联机构的运动学与动力学逆解的自动建模和可重构设计,并给出了一种新型并联机构的分析实例。     

空间RCCR机构的力分析与仿真

利用示力副法对空间RCCR机构进行力学分析,并利用计算机辅助动力学分析软件COSMOSMotion对该机构进行仿真分析,通过典型运动副约束反力仿真结果与理论计算结果一致性分析.得出了该机构的若干重要结论.     

考虑杆件空间复合弹性变形的过约束并联机构受力分析方法

以3-PRRR三自由度移动并联机构为例提出一种考虑杆件空间复合弹性变形(包括弯曲、拉伸和扭转变形)的过约束并联机构受力分析方法。提出并定义分支约束力螺旋系刚度矩阵,建立分支约束力螺旋系幅值与分支末端弹性变形之间的映射关系;然后结合动平台受力平衡方程推导得到了分支约束力螺旋系幅值的一般解析表达式,分析施加给动平台的约束力螺旋与运动副实际约束反力之间的内在联系,从而求解得到了驱动力和所有被动运动副的约束反力。基于ADAMS仿真软件提出了一种建立过约束并联机构受力仿真模型的方法,所建刚柔混合模型与理论模型完全一致,且仿真结果与理论计算结果的最大误差不超过2%,有效地验证了提出的过约束并联机构受力分析的正确性。     

2PRU-UPR过约束并联机构弹性动力学建模与分析

运用全局独立广义位移坐标和拉格朗日方程研究了具有2R1T三自由度的2PRU-UPR过约束并联机构的动力学性能。首先,将连杆划分为一定数量的梁单元,建立每一个单元的动力学控制方程,基于拉格朗日方程建立连杆的动力学控制方程;其次,基于多点约束单元理论与映射矩阵的奇异性分析建立物体与物体以及物体与基座连接点的一组独立位移坐标,结合关节连接点的独立位移坐标与内部节点位移坐标得到机构的全局独立广义位移坐标;再次,结合拉格朗日方程和全局独立广义位移坐标得到机构的总体动力学控制方程;与ANSYSWorkbench软件建立的有限元模型结果对比发现自然频率最大误差在3.6%之内。最后对比分析了自然频率求解子空间迭代方法、静态缩聚法和动态缩聚法的计算精度和计算成本。该方法同样适用于其他并联和串联机构。     

复合驱动并联机构的动力学建模与仿真分析

针对一种■自由度复合驱动并联机构的刚体动力学建模问题,采用拉格朗日法结合虚功原理建立刚体动力学模型并进行仿真分析。首先,在考虑存在次闭环的情况下,采用闭环矢量法对并联机构进行运动学分析,推导出机构各构件质心的线速度和角速度;其次,采用拉格朗日法结合虚功原理建立复合驱动并联机构的刚体动力学模型,为复合驱动并联机构驱动力的求解及后续动力学仿真分析奠定了基础;最后,基于MATLAB软件和ADAMS软件对该并联机构进行动力学仿真分析,在给定相同末端轨迹的情况下,对比两种软件得到的驱动力变化曲线,仿真结果验证了所建动力学模型的正确性。文中不仅为■自由度复合驱动并联机构控制系统的搭建打下了基础,也为其他复合驱动并联机构的动力学建模分析提供了理论依据。     

三对传力杆空间相交轴RCCR机构的静力分析

三对传力杆空间相交轴RCCR机构是带虚约束的静不定机构,利用示力副法并联立变形协调方程和物理方程求解了该机构中间三个转动副的约束反力,这些计算结果为该机构的强度分析奠定了基础。     

三指灵巧手结构设计及接触力规划

针对传统灵巧手追求灵活性而带来其外形尺寸过大、结构复杂的问题,设计一种小巧紧凑而灵活性高的全驱动三指灵巧手并建立其三维模型。采用拉格朗日法建立单手指动力学模型并进行动力学分析。然后将灵巧手三维模型导入ADAMS软件中建立灵巧手虚拟样机进行仿真,得到其运动学与动力学等性能曲线。利用MATLAB软件对其动力学方程进行数值分析,其理论分析结果与ADAMS仿真结果一致,验证了理论计算的正确性和灵巧手结构设计的合理性。基于拉格朗日乘子法求取抓取力初值,通过引入稳定系数对其进行优化得到优化接触力,同时也验证了其在手指关节驱动力矩约束下的合理性,为灵巧手手指抓取力计算提供了新的参考。     

空间曲柄——外摆杆机构的运动和力学分析

采用平面投影法分析了空间曲柄——外摆杆机构的运动规律,在此基础上利用示力副法计算了该机构中间运动副处的约束反力,并利用计算机辅助动力学分析软件ADAMS对该运动副处的约束反力进行了仿真分析,通过仿真结果与理论计算结果的一致性分析,得出了该机构的若干重要结论,为该机构在工程中的应用提供了依据。     

神经网络优化技术在磨床主轴优化中的应用

利用拉格朗日乘子法将约束优化设计问题转化为求解拉格朗日乘子法极值的问题,讨论拉格朗日乘子法极值存在的条件,基于人工神经网络非线性优化计算的优点,构造用于拉格朗日乘子法的人工神经网络学习规则和网络结构。优化计算平面磨床主轴系统的结构参数,讨论优化结果与Kuhn—Tucker准则优化结果的一致性。     

基于正交设计法的2UPS-RPU并联机构精度综合

针对并联机构各原始误差对位姿误差的影响程度不同,使用穷举法在整个工作空间中进行精度综合计算量太大的问题,提出一种原始误差影响因子加权法与正交设计法相结合的精度综合方法。以2UPS-RPU并联机构为对象进行精度综合,并对综合结果进行验证。验证结果表明:该方法能够快速地得到22项误差源的公差值,且在整个工作空间内,末端位姿误差δy、δz、δα、δβ超出给定范围的概率仅分别为4.5%、2.08%、0.25%、2.16%,分析结果也验证了此方法的可行性与正确性。     

馈能悬架并联机构动力学分析

针对传统馈能悬架机械效率低、机构复杂等特点,设计一种简单且高效的少自由度并联机构馈能悬架系统。该系统可以将汽车悬架的垂直运动转化为机构的旋转运动,并带动电机发电。以少自由度并联机构为研究对象,首先采用旋量理论分析该机构实现空间一转一移运动的机构学原理,建立雅克比矩阵,对该机构的正逆位置进行分析,并定义支载力评价指标。然后利用拉格朗日法建立该馈能系统的动力学模型,应用数值方法对该机构的可行性进行分析,最后利用ADAMS对该机构进行运动学和动力学进行仿真分析。数值计算与仿真结果的误差不超过3%,验证了该算法和所建模型的正确性,也为该机构应用到车辆馈能悬架提供了参考。     

并联3-RRRPP踝关节康复机构的设计与分析

分析了一种3-RRRPP新型踝关节康复并联机器人机构。综合了该并联机构的结构特性,基于螺旋理论对机构的自由度进行计算,确定其为具有三维转动自由度且转动中心与人体踝关节中心重合的无过约束机构;并基于坐标变换法对机构位置逆解进行分析,利用ADAMS软件进行仿真,验证其正确性;再对其工作空间进行分析,验证其满足踝关节康复训练的需求。     

一种基于乘子法的结构可靠性分析方法

为提高结构可靠性分析问题求解的稳定性和计算效率,提出一种基于乘子法的结构可靠性分析方法。该方法针对正态分布的独立随机变量,从结构可靠度问题的KT条件出发,结合拉格朗日函数,构造出了相应的增广目标函数,并利用外罚函数法进行求解和结构可靠性分析。数值算例和工程算例验证了该方法的稳定性和有效性。     

一种基于模糊决策的绳驱并联机构逆运动学算法

由于绳索数目大于运动自由度,具有冗余驱动的特点,且绳索长度求解关节角度的逆运动学过程具有高度非线性特点,难以求得解析解,同时存在测量干扰时数值计算结果误差较大。为解决该问题,设计2自由度绳驱并联平台样机,建立机构的运动学模型,基于模糊决策设计一种抗干扰的绳驱并联机构逆运动学算法。该逆运动学算法将驱动空间和关节空间进行模糊化,由绳索长度计算关节角度,从而抑制了过约束计算对测量噪声的敏感性。利用数值仿真技术对该算法和传统牛顿迭代算法进行对比,结果表明：该逆运动学算法具有较高的计算准确性和稳定性,可以用于绳驱并联机构的运动控制,具有实际应用价值。     

一种平面张拉整体机构运动学、刚度及动力学分析

提出了一类平面张拉整体机构的拓扑结构综合方法。设计并分析了一种由刚性杆和柔性元件联合构成的新型平面张拉整体机构,与传统并联机构相比,该机构具有质量小、惯性力小、可折叠等特点。利用绝对瞬心法解出了机构平衡状态下的位置反解,基于最小势能法对机构正解进行了分析及数值验证;对机构速度雅可比矩阵进行了推导,并对奇异位形进行了分析;通过数值计算和编程得到了机构的驱动工作空间和输出工作空间,并利用数值法验证了最小势能法和绝对瞬心法的一致性;基于能量公式对机构刚度进行了分析,并得到了机构在平衡状态下的刚度分布等高线图;采用拉格朗日方法建立了机构的动力学模型,并采用ADAMS软件对计算结果进行了验证。     

基于BP神经网络的并联机器人运动学研究

位置正解是并联机器人机构应用的基础,本文探讨了人工神经网络在并联机器人机构位置正解求解中的应用。采用BP网络,利用位置逆解结果,通过训练学习,实现操作手从关节变量空间到工作变量空间的非线性映射;从而求得6-SPS并联机器人运动学正解。为提高正解结果精度,采用迭代计算进行误差补偿。给出了一种并联机器人操作手的仿真实例,计算结果表明:该法迭代次数少,计算精度高且计算速度接近机器人实时控制的要求。     

考虑关节摩擦的5-PSS/UPU并联机构动力学建模及耦合特性分析

为了将并联机构应用于航天器的海面回收平台等领域,提出一种可以实现三移动二转动的新型五自由度并联机构—5-PSS/UPU并联机构作为柔性自适应动态平衡装置,并对该并联机构进行了耦合特性分析。首先,利用矢量法得到了机构运动学的正反解。其次,在考虑关节摩擦效应的情况下,采用牛顿-欧拉法建立了5-PSS/UPU并联机构的动力学模型,并对机构的动力学模型进行了数值仿真验证,结果表明考虑关节摩擦和未考虑关节摩擦时,各移动副的驱动力最大误差分别为:1.62%、0.48%、3.85%、1.21%、5.13%。然后,基于动力学模型,进行动力学耦合特性分析,并给出了惯量耦合特性评价指标。最后,在该并联机构的工作空间内,研究了耦合评价指标随机构运动状况的变化规律。研究结果表明,通过合理规划运动轨迹可以在一定程度上减少动力学耦合特性对并联机构动态性能所产生的影响。     

3-CP_aRR并联机构的动力学分析及滑模控制

为建立一种新型三自由度解耦并联机构(3-CP_aRR)的刚体动力学模型和滑模控制器,详细地阐述了该机构的结构组成;通过运动学约束分析,研究了该机构的运动学规律,揭示了该机构在空间正交方向上的移动完全解耦特性,确定了支链末端转动关节为消极运动副;基于运动学分析的结果,运用Lagrange方程法建立了该解耦并联机构的动力学模型;基于上述分析利用滑模面设计了该并联机构控制器,基于Lyapunov函数分析了系统稳定性;通过实例计算,分析了驱动构件的线速度、驱动力的变化规律,与ADAMS虚拟仿真结果对比验证了动力学模型的正确性,并验证了滑模控制器的有效性和稳定性。上述研究为该解耦并联机构的样机制作和实时控制系统的研究提供了理论基础。