基于旋量理论平板折展机构构型综合与分析

为了解决平板折展机构单元构型种类少的问题,对平板折展机构进行了构型综合,并优选出了一种机构进行运动学分析.基于对平板折展机构收拢原理的分析,运用旋量理论提出了一种平板折展单元机构的构型综合方法,综合出多种平板折展机构构型.通过分析比较优选出一种运动副全部为转动副的平板折展机构,对其构型机理及几何特征进行了分析,并基于旋...     

空间双层过约束可展机构的设计与分析

折展机构以其优越的折展性能,广泛应用于航空航天以及建筑等领域。以基于等边Bennett机构拓展得到的6R机构与三重对称Bricard机构巧妙结合,得到了一种可折展的环状机构,建立了多种过约束机构的几何模型并改进了环状机构的理论模型。利用D-H参数法对改进组合机构进行了运动学分析,得到其运动特性。以可折展环状机构为基本组网单元搭建了大尺度单层空间折展机构;以拓展6R机构衍生的7R机构结合Sarrus机构设计了可折展的连接单元,与单层折展机构复合构建空间双层可展机构,并提出了空间多层折展机构的可能性。     

基于螺旋理论的三棱锥折展机构构型综合与组网

研究折展单元机构构型综合对于可展开天线机构创新设计具有重要意义。根据三棱锥折展单元机构多运动输出期望公共运动和期望同步运动自由度要求,基于螺旋理论约束综合法,完成机构公共运动和耦合同步运动支链的构型综合,获得了多种基本折展单元构型,并结合应用实际确定一种优选三棱锥折展单元机构。根据3RR-3RRR单元折展机构的组网方式和组网运动的要求,采用螺旋理论进行了运动副的构型设计和优化,综合出一种具有耦合自由度的高刚度三棱锥折展单元组网机构。所采用的构型综合方法实现了螺旋理论约束综合法在折展机构构型综合中的应用,为具有多运动输出部件耦合运动要求的机构综合研究提供参考。综合得到的机构适用于星载构架天线反射器等空间曲面支撑类机构应用需求,具有广泛的应用前景。     

含双驱动支链的2UPS-RPU并联机构雅可比矩阵

基于旋量理论和李群李代数方法,以4自由度2UPS-RPU并联机构为例,提出了含串联输入支链的并联机构正运动学雅可比矩阵的一种新的推导方法。首先利用指数积公式建立含串联输入支链的位置正解,得出动平台位姿矩阵,根据动平台位姿矩阵列出第2和第3支链对动平台的约束方程,通过对方程组两边微分,得出第1支链关节速度与主动关节速度的映射关系,然后代入第1支链正运动学速度关系式,得出并联机构的正运动学雅可比矩阵。最后,基于螺旋理论建立了并联机构逆运动学的完整雅可比矩阵。为机构的奇异性分析提供了理论基础。     

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。     

可用于多连杆悬架的并联机构运动学分析

并联机构具有刚度大、响应快和精度高等优点,适用于悬架领域。提出了一种用于汽车多连杆悬架的新型并联机构。建立机构运动学模型,结合螺旋理论,通过位姿参数分析机构空间运动特点,得到表征运动的螺旋量近似为偶量;结合汽车悬架运动学概念,利用齐次变换矩阵给出车轮定位参数,运用螺旋理论提出了悬架瞬时运动学分析方法。     

剪刀机构环形阵列可展结构的运动学与动力学研究

通过分析剪刀单元之间几何参数的关系,得到单元尺寸和单元数量与展开和收拢半径之间的约束条件;针对可展结构的组成特点,提出将单元机构法与运动影响系数法相结合,建立可展结构的运动学分析方法;将运动影响系数法与虚功原理相结合,形成了可展结构的动力学分析方法。通过算例证实了所建立的运动学和动力学分析方法的有效性。     

并联6-RUS卫星相机像移补偿机构建模与分析

将并联6-RUS机构作为卫星相机像移补偿机构,以补偿在轨卫星多维耦合运动引起的像移。基于影响系数理论,利用旋量速度、旋量加速度建立了卫星相机像移补偿机构的运动学模型。利用基于旋量理论的牛顿-欧拉方程,在非惯性系建立了该机构的动力学模型,并分析了非惯性系运动对机构输入的全域影响。该种基于旋量的机构建模方法,利用坐标不变性直接在非惯性系建模,简化了机构建模过程。     

机构学与旋量理论的历史渊源以及有限位移旋量的发展

旋量理论以其简洁的形式,数学的概括性在许多科学领域尤其是机构学领域得到深入而广泛的应用,但其历史发展仍不为学者们所充分了解。从最初的几何体研究导致新机构的发明,到旋量理论与旋量代数、李群与李代数的提出以及发展直至形成旋量理论体系,详尽阐述机构学与旋量理论的历史渊源以及有限位移旋量的发展,进行历史性的详尽查证与研究。引经据典,回顾旋量理论自18世纪的研究开发,以及与其他数学分支的关联,同时回顾有限位移旋量自20世纪50年代后尤其是20世纪90年代的发展,探讨《机构学与机器人学几何基础与旋量代数》专著中阐述的有限位移旋量与瞬时旋量以及李群、李代数的关联。     

一种新型铰接空间连杆有限元单元及其在空间闭环机构中的应用

有限元法已广泛应用于结构的应变,应力及动力学分析,而利用有限元进行刚体机构的运动分析的研究较少.基于最小势能原理,推导出一种新型两端铰接间有限元连杆单元的梯度矢量、刚度矩阵和Hessian矩阵.并对关节轴线平行和共面这两种特殊几何关系下的单元模犁进行研究,给出计算公式和方法.在大型可展机构中,大量存在着结构相同的重复机构和闭环运动链.而基于有限元的运动学方法可以在不进行运动链分解的前提下,实现空间闭环机构的运动学分析.利用该方法对三种典型的空间闭环机构进行运动学仿真.其计算结果表明,应用该单元对空间闭环机构进行运动学分析,建模简单,计算正确,在大型可展机构中有很好的应用前景.     

Kinematics and dynamics of deployable structures with scissor-like-elements based on screw theory

Because the deployable structures are complex multi-loop structures and methods of derivation which lead to simpler kinematic and dynamic equations of motion are the subject of research effort, the kinematics and dynamics of deployable structures with scissor-like-elements are presented based on screw theory and the principle of virtual work respectively. According to the geometric characteristic of the deployable structure examined, the basic structural unit is the common scissor-like-element（SLE）. First, a spatial deployable structure, comprised of three SLEs, is defined, and the constraint topology graph is obtained. The equations of motion are then derived based on screw theory and the geometric nature of scissor elements. Second, to develop the dynamics of the whole deployable structure, the local coordinates of the SLEs and the Jacobian matrices of the center of mass of the deployable structure are derived. Then, the equivalent forces are assembled and added in the equations of motion based on the principle of virtual work. Finally, dynamic behavior and unfolded process of the deployable structure are simulated. Its figures of velocity, acceleration and input torque are obtained based on the simulate results. Screw theory not only provides an efficient solution formulation and theory guidance for complex multi-closed loop deployable structures, but also extends the method to solve dynamics of deployable structures. As an efficient mathematical tool, the simper equations of motion are derived based on screw theory.     

Application of linear algebra to screw systemsAnwendung der linearen Algebra auf schraubsysteme

The elements of linear algebra are applied to screw systems. The theory developed in this paper provides a general method for determining the system of instantaneous screws of any link in a closed-loop mechanism. Further, a novel, simple expression is derived for determining the velocity ratio of any pair of screws which represent a pair of joint motions within a closed-loop spatial mechanism.     

Mobility analysis of the deployable structure of SLE based on screw theory

Scissor-like element has a number of applications in deployable structures such as planar deployable structure (PDS) and ring deployable structure(RDS). However, the mobility analysis of the multi-loop deployable structures is made more difficulty by the traditional mobility formula, because the deployable structure is a very complex structure with multi-loop. Therefore, On the basis of screw theory, the calculation method of mobility of deployable structures of SLE is thoroughly discussed. In order to investigate the mobility, decomposing and composing structures(DCS) are developed, and the basic units are able to be obtained. On the basis of the deployable structures’ geometrical characteristics, there exists a closed-loop quadrilateral structure and some non-closed-loop quadrilateral structures in PDS. Also, a six legs parallel structure is present in RDS. The basic units’ mobility can be solved by both the methods of screw theory and topology constraint graphs. Then, composing the related basic units, the formula of planar deployable structures’ mobility can be built and solves the mobility of ring deployable structure. The analysis method solves the mobility analysis of the multi-loop deployable structures which is difficulty by the traditional method, and plays an important role in further research about the mobility of other complex deployable structures.     

多目标遗传算法在整车轻量化优化设计中的应用研究

采用D－最优试验设计方法对汽车前部关键吸能部件的材料和板料厚度进行多参数空间的样本数据设计;为提高计算效率,将能够代表整车正面碰撞过程的高精度多参数近似模型引入到整车轻量化优化设计中,并利用多目标遗传算法对近似模型进行优化,使得车身前部吸能部件的板料厚度和材料得到合理配置,同时也使得整车质量和B柱加速度尽可能最小。在车辆安全性满足CMVDR294安全法规的同时,也在一定程度上减小了整车的质量。     

一种气门电镦成型机器人轨迹规划与仿真研究

运用D-H法建立气门电镦成型机器人数学模型,并进行运动学正逆解。根据实际现场对机器人运动路径要求,规划其运动路径,现场通过示教获取机器人运动关键点,并在关节空间进行B样条曲线轨迹规划研究,获取关节空间轨迹运动函数表达式,并利用Matlab工具对规划轨迹进行仿真模拟。结果表明利用该方法能生成一条关节位移、速度、加速度都连续的平滑运动轨迹,以保证机器人工作时按规定的路径平稳地运行,且能顺利避开障碍物,满足设计和使用要求。     

一种3-CRCR/RPU对称并联机器人机构工作空间及运动学分析

提出一种新型对称3-CRCR/RPU并联机构,借助修正的Kutzbach-Grübler公式,结合螺旋理论进行分析,该机构具有4个自由度。根据几何约束条件列写矢量方程,以解析解形式给出该机构的运动学正解和逆解,基于逆解对机构速度和加速度进行分析,对机构雅可比矩阵分析知,该机构不含奇异位形且部分解耦。应用ADAMS软件建立仿真模型,验证运动学模型的正确性。根据机构各关节限制约束条件给出其工作空间,得出机构具有类斜六面体的α-β-z位姿子空间。最后,研究机构结构参数对工作空间的影响,并基于改进后的全局性能指标ηJ研究不同结构参数下机构整体性能分布,从而为该机构的空间轨迹规划、结构设计的优化问题提供参考。     

闭环双驱动混合输出六自由度并联机构运动分析

提出一种分支含闭环双驱动单元、可实现混合输出的六自由度并联机构。分析了动平台混合运动时驱动分支的等效形式,以及独立位姿运动和振动时驱动分支的等效形式;分析了混合运动关于位姿运动输入和振动输入的位置反解,对振动输入的位置反解设计了基于机构运动特点的逐次逼近法;运用螺旋理论求得动平台混合运动时关于全体12个独立广义坐标的一、二阶影响系数,得到从广义输入到动平台旋量速度、加速度的线性映射;通过数值算例分别对位姿运动输入和振动输入的理论分析结果进行了验证,算例仿真表明,提出的两种双驱动输入分配计算规则均能得到确定的混合运动输出。     

一种新型的空间仿生机械腿的机构设计与研究

调查目前仿生机器人的研究现状,提出一种空间仿生机构和可变形腿运动机构。该机构具有运动灵活、自由度少、适应性强的特点。利用D-H矩阵分析法和直角坐标分析法对该机构的基本运动单元的运动学进行了理论分析,并给出了运动方程。利用SolidWorks三维造型软件进行了机构的三维建模与干涉检查,利用ADAMS软件建立了这种新型的仿生机器人的虚拟样机,进行了基本运动单元的运动学仿真。根据机构的位移矩阵变换原理,进行了轨迹的对比分析,提出可变形腿机构。     

Design of a novel side-mounted leg mechanism with high flexibility for a multi-mission quadruped earth rover BJTUBOT

Earth rover is a class of emerging wheeled-leg robots for nature exploration. At present, few methods for these robots’ leg design utilize a side-mounted spatial parallel mechanism. Thus, this paper presents a complete design process of a novel 5-degree-of-freedom (5-DOF) hybrid leg mechanism for our quadruped earth rover BJTUBOT. First, a general approach is proposed for constructing the novel leg mechanism. Subsequently, by evaluating the basic locomotion task (LT) of the rover based on screw theory, we determine the desired motion characteristic of the side-mounted leg and carry out its two feasible configurations. With regard to the synthesis method of the parallel mechanism, a family of concise hybrid leg mechanisms using the 6-DOF limbs and an L_1F1C limb (which can provide a constraint force and a couple) is designed. In verifying the motion characteristics of this kind of leg, we select a typical (3-UPRU&RRRR)&R mechanism and then analyze its kinematic model, singularities, velocity mapping, workspace, dexterity, statics, and kinetostatic performance. Furthermore, the virtual quadruped rover equipped with this innovative leg mechanism is built. Various basic and specific LTs of the rover are demonstrated by simulation, which indicates that the flexibility of the legs can help the rover achieve multitasking.     

三自由度并联机器人操作平台的主运动螺旋研究

讨论三自由度并联机器人的操作平台的瞬时螺旋的确定方法,根据平面表示的空间运动螺旋的几何特性,提出基于二阶曲线分解理论的操作器运动螺旋系主螺旋的识别的解析方法,为自由度少于６的并联机构的运动特性及其操作器运动螺旋系的研究提供了必要的理论基础。