基于牛顿-欧拉法的4-UPS-UPU并联机构动力学方程

采用牛顿-欧拉法建立了空间并联机构的动力学方程,用于研究4-UPS-UPU五自由度空间并联机构的刚体动力学建模。分析了4-UPS-UPU并联机构的支链受力和动平台受力情况,基于牛顿-欧拉法推导出了该并联机构的刚体动力学方程。利用Matlab分别对动平台在空载和加载条件下的驱动力进行理论计算,得到了该机构5个驱动杆的驱动力。最后,利用ADAMS对4-UPS-UPU并联机构虚拟样机进行了动力学仿真分析。结果表明:并联机构在Z轴为0.95m的平面内按半径为0.01m的圆轨迹运动时,驱动杆1受力最大,空载时最大值达-760.6N,加载时最大值达-889.7N。理论计算结果和虚拟样机仿真结果基本一致,验证了理论模型的正确性。该项研究为4-UPS-UPU五自由度并联机构物理样机的制造奠定了理论基础,也为其他空间并联机构刚体动力学建模提供了思路。     

2-UPR-RPU并联机器人的动力学建模与性能分析

动力学建模和性能分析是并联机器人设计中的研究重点。以2-UPR-RPU三自由度并联机器人(U:虎克铰,P:移动副,R:转动副)为研究对象,采用螺旋理论对其进行动力学建模与性能分析。基于闭环矢量法建立2-UPR-RPU并联机器人的运动学逆解模型。采用螺旋理论分析2-UPR-RPU并联机器人分支中各个关节和杆件的速度和加速度,结合虚功原理计算2-UPR-RPU并联机器人运动时的驱动力,并通过ADAMS软件进行数值仿真验证。基于动力学模型分析2-UPR-RPU并联机器人的动态可操作度椭球指标,获得2-UPR-RPU并联机器人在不同操作高度下的转动和移动动态性能分布图谱,为机构的样机设计提供参考依据。2-UPR-RPU并联机器人的动力学建模和性能分析为实现机构在实际操作中的高效高精度控制提供了重要的基础保证。     

∏LR&RR球面并联机构动力学分析

针对应用于高速定点转动的雷达天线的∏LRRR二自由度球面并联机构进行了运动学和动力学研究。推导出动平台的2个姿态变量与驱动构件的2个角度变量之间的关系式,即运动学正解。采用拉格朗日法建立了球面并联机构的动力学模型。应用MATLAB软件对动力学模型进行了实例计算,得出了驱动构件和动平台的角度、角速度和角加速度的变化曲线及驱动力矩的变化曲线。结果表明,∏LR支链驱动力矩较大且振幅较大,RR支链驱动力矩较小且变化较平缓。通过对比Solid Works软件运动仿真结果验证了动力学模型的正确性。     

平面二自由度冗余驱动并联机构动力学建模与驱动力优化

针对并联机构引入冗余驱动造成驱动力求解不唯一、可能引起内力对抗问题,对冗余驱动并联机构的动力学建模和驱动力优化进行了研究。首先,基于闭环矢量法得到了机构运动学关系;接着引入螺旋理论,采用与系统运动螺旋成线性关系的约束矩阵之正交补来消除约束力螺旋,扩展自然正交补(Natural Orthogonal Complement, NOC)方法到冗余驱动并联机构,建立了平面二自由度冗余驱动机构的动力学模型;此外,建立了机构的驱动力模型,并基于最小范数法进行了驱动力静不定问题的约束优化求解,进一步采用Householder矩阵应用QR分解提高求解效率,得到了物理意义明确、求解快速的驱动力优化方法;最后通过平面轨迹跟踪仿真,对提出的建模和驱动力优化方法进行了验证。研究结果表明：基于螺旋理论的自然正交补方法推导动力学模型具有系统高效、中间变量少等优点;采用最小范数法的QR分解法求解各驱动器驱动力矩物理意义明确,速度快。该建模和驱动力优化方法不仅适用于冗余驱动的平面机构,也适用于空间机构以及超冗余机构。     

冗余驱动4-PRP+3-UPS&PU混联机床动力学模型

应用拉格朗日法对新型6自由度冗余驱动混联机床进行动力学建模。首先,对4-PRP+3-UPSPU机床构型进行分析,建立机床坐标系;然后,求解出该冗余驱动混联机床系统的动能、势能和作用于该混联机构非保守力的等效广义力,利用拉格朗日方程建立4-PRP+3-UPSPU冗余驱动混联机床的动力学模型,为该混联机构驱动力的求解及机构的动力学分析奠定基础;最后结合数值算例,用MATLAB软件对动力学模型进行数值计算并绘制出各驱动杆驱动力的变化曲线,将理论分析结果与ADAMS仿真结果进行比较,验证了该动力学模型的正确性及可行性。     

一类平面二自由度并联机构的运动学与动力学分析

提出了一类新型平面二自由度并联机构 ,可用作二自由度平面运动的工作台 ,并分析了这种机构运动学的正反解 ,在此基础上 ,进一步应用拉格朗日方法对该机构进行动力学建模 ,获得了该机构动力学模型的具体表达式。基于该动力学模型 ,对机构的反向动力学进行仿真计算分析 ,从而获得了运动状态下机构电机的驱动力和各构件的受力情况 ,由此为该机构的设计及具体应用奠定坚实的基础     

二自由度并联机器人的动力学建模与研究

面向汽车电子行业等对高节拍往复运动的搬运操作需求,提出了一种基于平面双滑块机构的二自由度(2-DOF)并联机器人。基于拉格朗日(Lagrange)方程建立了并联机器人的动力学模型,并给出了机器人驱动力方程。利用Matlab软件对所建动力学模型进行仿真,同时利用ADAMS软件验证了所建模型的准确性。基于所建立的动力学模型,分析了并联机器人结构参数与运动参数对驱动力的影响,为机器人结构设计提供了动力学参考。     

基于虚功原理的3-RRPR柔性精密定位工作台动力学分析

为了实现柔性精密操作系统的高频控制,提出一种新型空间柔性并联精密定位工作台系统,该工作台采用多个压电陶瓷驱动方式,通过半圆形凹槽单自由度柔性铰链的弹性变形实现末端执行件3平动自由度的主动调整.根据机构伪刚体模型,采用矢量闭环方法建立其位置、速度以及加速度方程,并结合柔性铰链弹性应变能,采用虚功原理方法进行动力学分析,推...     

三自由度仿生肩关节动力学建模与仿真控制分析

根据人体肩关节运动特性,提出了一种由气动人工肌肉(PMAs)驱动的解耦型并联肩关节。应用螺旋理论对三自由度并联机构进行了自由度分析。基于并联机构反解易求的特性,建立了机构的运动学模型,并利用拉格朗日法建立了机构的动力学模型。通过仿真控制实验,使用计算力矩法能较好控制三自由度并联机构的运动,同时也验证了动力学模型的正确性。     

3-PPR并联机构动力学建模与分析

通过齐次坐标变换构建三自由度并联机构3-PPR的完整运动学逆解,利用一阶影响系数法求解机构雅克比矩阵。采用拉格朗日功能平衡法推导出机构刚体动力学模型,对比典型工况下Matlab数值算例仿真与ADAMS虚拟仿真结果,验证了刚体动力学理论分析的正确性。联合ADAMS与ANSYS对机构进行柔性动力学分析,综合机构刚体和柔性动力学仿真,为完整动力学分析奠定了基础。这些内容为进一步研究该并联机构的动态特性、系统控制、误差分析等有着非常重要的意义,也可作为类似并联机构动力学研究的一般方法。     

基于牛顿—欧拉法的4-UPS-RPS机构刚体动力学分析

为了研究三维转动两维移动4-UPS-RPS空间五自由度并联机构的刚体动力学问题,采用牛顿—欧拉法和虚拟样机仿真相结合的刚体动力学分析方法,分析了该并联机构的运动学,包括位置反解、并联机构驱动杆线速度和角速度,以及并联机构摆动杆和伸缩杆质心处线速度和角加速度;采用牛顿—欧拉法建立了4-UPS-RPS空间并联机构的刚体动力学模型,利用MATLAB对空载和有载荷条件下的算例进行了理论计算,分别求解出机构五个驱动杆的驱动力,利用ADAMS进行了机构虚拟样机的动力学仿真分析,验证了理论计算的正确性。该研究为4-UPS-RPS空间五自由度并联机构的设计制造和控制奠定了理论基础。     

一种三自由度串并联结构旋转台的动力学分析

对三自由度旋转台进行了动力学分析。该旋转台只有3个方向的转动自由度,由二自由度球面并联机构和串联在其上的旋转电机构成。根据旋转台的几何和运动特性建立了系统的输入输出速度方程,得出了速度Jacobian矩阵和动能方程。利用拉格朗日法和虚功原理,建立了系统的动力学模型,解决了特定外载荷和速度、加速度条件下如何求解驱动力矩的问题。给出了动力学的仿真运算实例,讨论了在匀速和匀加速情况下,二自由度球面并联机构驱动力矩的变化。最后根据动力学方程,得出了串联在二自由度球面并联机构上的第三个自由度的力矩与输出转角的运动学方程。     

3-PRS型并联机构刚体动力学研究

以3-PRS型并联机构为研究对象,应用虚位移原理建立了机床的刚体动力学模型,求解了刚体动力学的正问题和反问题,即在已知运动的情况下求出驱动力或在已知驱动力的情况下求解机构的运动形式.通过两个运动实例的仿真实验观察机床的驱动性能,证明了机构在整个工作空间内不存在奇异和突变的区域.     

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。     

对称两转一移3-UPU并联机构的动力学分析

对一种空间3自由度3-UPU对称并联机构进行动力学分析和联合仿真研究。该并联机构由两个完全相同的平台通过3个同样的UPU支链连接而成,其动、定平台始终关于一个中间平面对称,该机构具有两个转动自由度和一个移动自由度。利用矢量法推导机构各构件的速度与加速度,求解机构各分支的雅可比矩阵,运用虚功原理建立3-UPU并联机构的动力学模型。利用联合仿真技术对该并联机构动力学模型进行验证,通过两个运动算例验证了该动力学建模方法的可行性和有效性,特别是利用该动力学模型分析这个机构在发生定轴转动时的动力学特点,为该机构的进一步研究及实际应用奠定了基础。     

伤员转运机器人自平衡机构的动力学分析

为了提高复杂灾变环境中伤员的救援效率和成功率,提出一种具有3R1T的4-UPS/PS并联机构作为转运机器人的自平衡系统,利用螺旋理论对自由度进行分析,并利用修正的G-K公式检验。采用封闭矢量法求解各驱动杆杆长与动平台位姿间的关系。推导了自平衡补偿机构的动能表达式、势能表达式,利用拉格朗日法建立了自平衡补偿器的动力学模型,通过Adams仿真软件对自平衡过程进行仿真分析运动性以及驱动力。实验结果表明,机构运动性能优越,驱动性能良好,具有很强的可控性和稳定性,适用于救援转运机器人的自平衡系统。     

6-UPRRU S折叠式并联机构及其动力学模型

提出一种6-UPRRU S折叠式六自由度并联机构来实时调整卫星相机的位姿以保证相机的成像质量。机构由6个分支组成,每个分支中包含一个由UPR和UR组成的五杆闭环子链,驱动副为移动副。对机构的结构特点进行了分析,以此为基础分析了该机构的自由度,得到了机构运动学反解。利用旋量速度、加速度及闭环子链的运动特性求解广义关节的速度、加速度,建立机构分支中各个杆件的运动学模型。基于虚功原理和机构的运动学模型,利用旋量表示的牛顿-欧拉公式建立该机构的动力学模型。分析了折叠机构的关键结构参数对机构的运动学、动力学性能的影响,采用动力学仿真软件验证了理论模型,为机构在空间相机的位姿调整、跟踪中的应用提供了理论依据。     

一种部分解耦并联机构运动学与动力学分析

针对并联机床加工复杂曲面零件,设计了一种部分解耦5自由度并联机构。分析了该并联机构的自由度和解耦性能;基于矢量法,推导了机构中各驱动分支和动平台运动之间的映射关系,分析了并联机构中各构件的运动;考虑各构件的重力、惯性力和惯性力矩,利用虚功原理建立了机构的动力学方程;利用CAD软件对并联机构运动学和动力学方程进行了验证。分析了部分解耦并联机构的奇异性,为该类机构的应用奠定了理论基础。     

并联机构动力学建模及控制策略的研究

在总结并联机构动力学分析目标的基础上,对并联机构的动力学建模方法,包括拉格朗日方法、牛顿-欧拉法、虚功原理、凯恩方程法等进行了比较研究,并对控制策略的研究现状进行了综述。     

基于虚功原理的一种新型锻造操作机主运动机构动力学分析

提出一种新型6自由度前后双提升驱动式锻造操作机。基于复矢量法对操作机主运动机构的运动学进行全面分析。其次将液压缸的缸体和活塞杆简化为一个构件的情况下,基于虚功原理推导并建立主运动机构的动力学数学模型。分别在水平升降运动、俯仰运动以及前后缓冲运动三种运动状态下对夹钳末端进行正弦速度规划,并在给定负载情况下对动力学模型进行了仿真分析。将该简化模型与实际中将液压缸的缸体和活塞杆分为两个构件的动力学模型进行仿真对比分析,得到各驱动液压缸分别在三种运动状态下输出驱动力的误差曲线。结果表明该新型锻造操作机的主要承重构件为前提升缸。简化模型等效于实际模型,并且有效简化了动力学的建模过程。研究结果为该机构的设计和应用提供了重要的理论依据。