具有连续多行程恒力柔顺机构设计

为实现多段恒力功能,提出一种基于并联负刚度结构的多行程恒力柔顺机构设计方法。以一种新型余弦形曲梁作为负刚度结构,其负刚度行程大、线性度高,与具有正刚度特性的复合梁组合后,以实现连续两段恒力输出性能。采用伪刚体法和基于能量法的瑞利-里兹法建立多行程恒力柔顺机构的理论分析模型,有限元仿真结果验证理论模型的准确性。以提高恒力范围为目标,分析主要尺寸参数对力学特性的影响,优化初始尺寸参数。制作且测试优化后的恒力机构样机,实验结果表明恒力机构两段恒力范围分别为1 mm～6.8 mm、8.8 mm～14.4 mm,输出恒力分别约为7.7 N、19.7 N,证明了设计方法的有效性。     

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。     

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。     

一种柔顺并联自适应机构的工作特性分析

基于柔顺并联机构的组成原理,设计构造了一种简易实用的柔顺并联自适应机构,通过该机构的伪刚体模型,推导出机构的活动自由度、耦合度以及逆向解析解,仿真分析了执行工作面在定位置下各弹簧长度变化规律和自适应运动条件下的可达工作空间,同时建立了机构的虚拟样机模型。本文的研究为柔顺并联自适应机构的工业应用提供了理论参考。     

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。*     

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。     

分布式全柔顺机构伪刚体建模

分布式全柔顺机构不包含刚性杆件和运动副,其运动与能量的转换完全由柔顺构件的变形来实现,具有结构简单、质量轻和无关节间隙等优点.以J型储能脚为例研究此类机构伪刚体建模方法.为了提高模型精度,将柔顺机构等效成弹性铰接多刚体系统,基于柔顺构件的几何形状和刚度分布提出伪刚性段划分的曲率原则与刚度原则,给出等效关节扭簧常数的修正计算公式.应用影响系数理论给出弹性铰接多刚体系统受力变形的计算公式.通过与有限元计算结果对比,讨论伪刚体模型分段方法、段数和扭簧常数等因素对模型精度的影响,验证基于几何形状和刚度分布的伪刚性段划分方法的合理性,并获得了J型储能脚合理的划分段数和修正系数值.本建模方法不仅适用于开环分布式柔顺机构,还可以进一步应用于闭环分布式柔顺机构的伪刚体建模.     

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。     

一种全柔顺六稳态机构的设计

多稳态机构因不需输入能量就可保持多个稳定平衡状态而在生产生活中得到越来越广泛的应用。全柔顺多稳态机构免装配、无摩擦、低能耗,但因为柔顺片段大变形时容易产生应力集中、输出非线性等原因,全柔顺多稳态机构的设计难度较大。提出一种全柔顺六稳态机构的设计方法,由两个临界跳转力不同的双稳态机构和一个柔顺片段组成机构,成功实现六个稳定平衡状态。对柔顺片段用伪刚体模型法建模,并通过比较两部分结构的力-位移特性给出机构具有六个稳定平衡状态的条件,从而避免了非线性分析;考虑机构的实际运动给出柔顺片段的刚度范围计算公式,设计者可据此选择合适的刚度完成全柔顺六稳态机构的设计。用ANSYS得到的输出力特性和样机测试证实了该设计方法的正确。     

一种新型并联柔顺测头的静力学分析

测头是精密测量设备的关键部件,开发性能优良的新型测头是精密测量技术领域关注的重点。现有研究主要关注完善测量理论和优化传感器性能,对测头本体结构创新方面研究较少。基于并联机构位于奇异位形时,机构获得额外瞬时局部自由度这一基本属性,利用"刚体替换综合法"构造出一种新型并联柔顺约束测头。利用线几何和力雅可比矩阵零空间法简要阐明了机构具有三维测头所需的功能自由度。基于并联柔顺支撑机构的静力学及分支杆刚度模型,构造机构的整体刚度矩阵,建立测头的测力-位移模型,通过数值模拟和有限元软件验证理论分析的正确性。研究内容拓展了并联柔顺机构的应用范围,丰富了精密测头约束支撑机构的结构创新方法,为进一步构造基于该类型并联柔顺机构的新型测头奠定了重要的理论基础。     

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。     

柔顺机构中大变形柔性梁的2自由度伪刚体模型

针对柔顺机构中的大变形柔性梁,提出了一种新的伪刚体模型,即"两自由度伪刚体模型"。通过对模型末端倾角的进行参数化近似得出了模型最优特征半径系数,然后应用线性回归方法得到了模型的刚度系数。该模型能精确模拟柔顺机构中大变形柔性梁的变形轨迹和变形角度。最后通过末端轨迹的对比说明了该模型的优越性。     

柔顺机构的疲劳可靠性优化设计

基于伪刚体模型，以可靠度最大为目标，综合概率、疲劳和优化等学科的知识，给出了一种对柔顺机构进行优化设计的方法。建立了基于可靠性的随机变量优化问题的一般模型，分析了将概率约束条件转化为确定形式约束条件的方法；考虑柔顺元件的变形特性，计算了其随机疲劳强度、最大应力，分析了典型的约束形式；通过算例验证了该方法的正确性，结果表明，柔顺元件的可靠性对尺寸或材料特性等方面的变化比较敏感。     

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。     

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。     

部分柔顺翅翼机构及其动力学分析

提出将包含"固定-铰接"的柔顺片段的部分柔顺机构作为微扑翼飞行器的翅翼机构。在简要介绍刚性、含弹簧和部分柔顺三种翅翼机构的结构和特点之后,利用伪刚体法对部分柔顺翅翼机构进行了动态静力分析,并将结果与相同条件下刚性及含弹簧的翅翼机构进行了比较。研究表明部分柔顺和含弹簧的翅翼机构都能明显地减小刚性翅翼机构的运动副反力和平衡力矩的峰值,而在一周期内部分柔顺翅翼机构运动副反力和平衡力矩的平均值比含弹簧翅翼机构的平均值的要小。通过验证,这些结论在不同的曲柄转速下是相同的。     

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.     

一种基于变胞变换的柔顺剥线钳

剥线钳是一种用于剥去电线绝缘皮的手持工具。现有的剥线钳结构复杂、成本高、容易磨损。考虑到剥线钳在运动过程中自由度会发生变化,将变胞变换的思想引入剥线钳的设计中,基于柔顺五杆机构得到一种新型的柔顺剥线机构。利用伪刚体模型法对柔顺剥线钳的不同工作状态进行建模,给出了相应的运动静力学模型;根据剥线钳的设计要求建立优化目标函数,并采用粒子群算法完成了优化设计。参照优化结果加工的样机对不同规格的电线进行剥线测试,证实该新型柔顺剥线钳具有较好的剥线效果,可大幅降低现有剥线钳的成本,便携且具有结构简单、工作可靠等优点。     

基于AutoCAD的柔性机构伪刚体模型建立与性能分析

提出了一种在AutoCAD中建立柔性机构伪刚体模型并对其进行性能分析的方法:将柔性机构分类并单元化;利用AutoCAD提供的API,借助参数化建模技术,创建柔性机构构件库;定义构件单元属性,生成机构单元刚度矩阵,获得单元伪刚体模型;经过坐标变换等,得到机构总刚度矩阵,完成伪刚体模型的建立;通过自定义载荷,对伪刚体模型进行性能分析。基于所开发程序,以一种3-RRR平面微定位平台为研究对象,进行了伪刚体模型的建立和性能分析,并将分析结果与ANSYS仿真结果进行了对比,验证了模型的正确性及应用程序的有效性。     

模拟固定-导向柔顺梁的PRR伪刚体模型的动力学分析

基于PRR伪刚体模型,建立了末端受复合载荷作用下固定-导向柔顺梁的PRR伪刚体动力学模型。以柔顺机构中柔顺杆为研究对象,通过分析其动能和势能,应用拉格朗日方程推导出了该模型的动力学方程,并从方程特征和响应曲线等方面分析了模型各项动力学特性。分析结果表明,PRR伪刚体动力学模型可以更加真实地反映出固定-导向柔顺梁在变形过程中的各项动力学特性,更加适用于柔顺机构的动力学分析与设计。