含球面副间隙的空间并联机构动态特性

为了分析含球面副间隙的5-PSS/UPU并联机构的动态特性,建立含多个球面副间隙的空间并联机构的刚体动力学模型. 基于“接触-分离”二状态模型建立含球面副间隙的运动学模型;基于改进的接触模型和修正的Coulomb摩擦模型建立运动副元素之间的法向与切向接触力模型,进一步将接触力转化到运动副元素对应的部件质心;采用牛顿-欧拉法并结合拉格朗日乘子建立含间隙空间并联机构的动力学模型,利用数值仿真分析其动态特性,计算得到间隙分别为0.05、0.10、0.20、0.40 mm时的动平台角加速度均方根误差（RMSE）指标,分别为40.046、65.385、98.489、145.715 rad/s². 结果表明,在存在多个球面副间隙的情况下,当间隙增加时,空间并联机构的动态性能严重退化.     

含球关节间隙的RSSR机构动力学建模与仿真

为研究含球关节间隙对空间连杆机构动态性能的影响,建立含间隙的球关节运动学模型,基于拉格朗日乘子法,建立含球关节间隙的RSSR空间机构动力学模型,仿真分析了关节接触力模型、曲柄输入转速、间隙尺寸等因素对机构的动态性能的影响.仿真结果表明:不同的关节接触力模型,对仿真结果影响较大;球头与球窝的碰撞接触点主要分布在间隙球的两个局部区域;间隙尺寸对机构摇杆输出角加速度波动以及球关节接触力影响最大,间隙尺寸的大小与摇杆角加速度、关节接触力大小的变化呈现非线性正相关的趋势.     

三自由度类球面并联机构的动力学建模及分析

提出一种可应用于电子装配领域的三自由度（2R1T,R表示旋转,T表示平移）类球面并联机构. 该机构由上下2个等半径的动、定平台通过3个相同的RSR（R表示转动副,S表示球关节）支链连接而成. 在运动过程中,动平台与定平台始终关于一个中间平面对称,且动平台可绕着对称面内的任意轴线连续旋转和沿着两平台中心连线方向连续平移. 基于机构特殊的几何对称性,建立了其等效运动学模型,在此基础上运用Lagrange方法建立了机构的动力学模型,并通过具体的运动算例,利用Mathematica计算和ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems,机械系统动力学自动分析）仿真验证了该动力学模型的正确性和有效性,为进一步研究机构的动态特性及系统运动控制提供理论指导.     

含间隙铰链并联机构的动力学分析

以3-RRRT并联机构为对象,基于ADAMS仿真软件平台,在考虑库仑摩擦力条件下,利用非线性等效弹簧阻尼的概念建立含间隙铰链的接触动力学模型,在此基础上构建了机构的动力学分析模型.对该模型进行仿真,分析铰链在理想接触和含间隙时并联机构的动力学性能,同时还比较研究了机构一条支链存在铰链间隙和三条支链均存在铰链间隙时的动力学性能.结果表明铰链间隙对并联机构动平台的加速度及机构接触力都有较大影响,在机构设计时需要加以考虑.     

飞机大部件调姿机构磨损预测模型的构建与仿真

针对飞机大部件调姿机构球铰磨损量预测问题,提出一种含间隙的球铰磨损模型.根据球铰的几何结构构建运动学模型;采用含迟滞阻尼系数的连续接触力模型与改进Coulomb摩擦力模型建立球铰的动力学模型;结合Archard方程建立球铰的磨损模型.为了能够获得接触表面的磨损分布情况,将磨损表面离散,借助Hertz接触理论计算接触力的分布,并以离散后的单张曲面为单元分别计算与保存单张曲面磨损量.针对一种四定位器的调姿机构,模拟调姿过程进行仿真计算,结果显示：单个球头表面磨损分布并不均衡,4个球头之间的磨损分布情况类似,但是磨损量存在一定的差异.该磨损模型能够用于调姿机构寿命的预测,并对调姿机构的机械设计提供参考.     

Dynamic modeling and analysis of 3-RRS parallel manipulator with flexible links

The dynamic modeling and solution of the 3-(R)RS spatial parallel manipulators with flexible links were investigated. Firstly, a new model of spatial flexible beam element was proposed, and the dynamic equations of elements and branches of the parallel manipulator were derived. Secondly, according to the kinematic coupling relationship between the moving platform and flexible links, the kinematic constraints of the flexible parallel manipulator were proposed. Thirdly, using the kinematic constraint equations and dynamic model of the moving platform, the overall system dynamic equations of the parallel manipulator were obtained by assembling the dynamic equations of branches. Furthermore, a few commonly used effective solutions of second-order differential equation system with variable coefficients were discussed. Newmark numerical method was used to solve the dynamic equations of the flexible parallel manipulator. Finally, the dynamic responses of the moving platform and driving torques of the 3-RRS parallel mechanism with flexible links were analyzed through numerical simulation. The results provide important information for analysis of dynamic performance, dynamics optimization design, dynamic simulation and control of the 3-RRS flexible parallel manipulator.     

Dynamics Analysis of Square Unit and its Combined Mechanism with Joint Clearance

考虑运动副间隙的正方形单元及其组合机构的动力学分析

李剑锋,王三民,李博,智常建,彭麒安

（西北工业大学 机电学院,西安 710072）

创新点说明：

1.为精确研究正方形单元及其组合机构的动力学性能,通过考虑间隙转动副元素之间的运动规律建立了该运动副的运动学模型。

2.在Floures接触力模型和LuGre摩擦力模型的基础上建立了考虑运动副间隙的正方形组合机构的动力学分析方法,并采用Baumgarte提出的稳定约束法来解决积分过程中的约束违约现象。

3.采用具体算例验证了本文方法的有效性。该方法简化了正方形单元及其组合结构动力学分析过程,拓展了其应用范围,具有较高的实际应用价值。

研究目的：

为精确研究该机构的动力学性能,通过考虑间隙转动副元素之间的运动规律建立了该运动副的运动学模型,分析运动副间隙对正方形单元及其组合机构动力学的影响。

研究方法：

通过考虑间隙转动副元素之间的运动规律建立了该运动副的运动学模型;其次,在Floures接触力模型和LuGre摩擦力模型的基础上得到了考虑间隙转动副元素之间的切向和法向接触力;最后,建立了考虑运动副间隙的正方形组合机构的动力学分析方法,并采用Baumgarte提出的稳定约束法来解决积分过程中的约束违约现象,运用Matlab对具体算例计算和分析。

结果：

结果发现正方形单元及其组合结构转动副随着间隙值的增加,正方形可展机构动态曲线的变化范围更大,波动幅值较大,预测随着间隙值的继续增加,碰撞过程会更加严重,直至机构失效。表明运动副间隙对正方形组合机构动力学性能的影响不可忽视。

结论：

1.基于接触-分离-碰撞过程,成功地将运动副间隙效应引入到正方形可展机构的动力学模型中,分别采用Floures模型和修正的Coulomb摩擦力模型计算接触碰撞力,并使用Baumgarte稳定约束法有效的避免了积分过程中产生的约束违约现象。

2.含间隙正方形可展机构动力学特性的研究表明：机构动力学行为的计算需要考虑运动副间隙效应对的影响。

3.通过对间隙值分别为0.25mm和0.5mm的分析可知：随着间隙值的增加,正方形可展机构动态曲线的变化范围更大,波动幅值较大,随着间隙值的继续增加,碰撞过程会更加严重,直至机构失效。

关键词：正方形单元及其组合机构,间隙,Floures接触力模型,动力学

     

一种冗余约束对并联机构精度影响的研究

为深入研究动平台中心点误差范围,以一种少自由度3-RPS／UPS冗余并联机构为研究对象,提出了一种改进的铰链间隙误差分析方法,分析了此并联机构球铰间隙对动平台中心点的影响,在此基础上提出了一种改进的误差分析方法,并对具有相同结构参数的3一RPS非冗余并联机构和具有冗余支链的3一RPS／UPS并联机构进行误差分析及计算,结果表明,冗余并联机构的误差空间在各方向上都比非冗余并联机构小,故冗余约束可减小误差,提高并联机构精度。     

基于Matlab的三叉杆滑块式万向联轴器的动力学分析

利用方向余弦矩阵工具,在三叉杆滑块式等角速万向联轴器运动学分析的基础上,计入摩擦力和惯性力,对该联轴器建立起动力学模型,进行了全面的受力分析。数值分析结果表明:各构件的受力按正弦规律或近似于正弦规律相对于输入轴转角呈周期性变化;摩擦系数对回转副和球面副中各力影响较大,对移动副中各力影响较小。     

拉格朗日方程平面展开式在机构动力学中的应用

针对利用拉格朗日方程建立平面机构动力学方程的问题,进行了新的探讨和分析,首先对多构件多自由度系统的动能提出了新的表达形式,在此研究过程中,引出了类速度,类角速度,慢性系数等重要概念,而后在此基础上推导出了拉格朗日方程平面展开式,最后做为一个实例,用拉格朗日方程展开式建立了开式链二杆机构的运动方程,本文所谈到的内容,可供深入研究拉格朗日方程及对平面机构多自由度系统和平面开式链机器人的动力学研究,提出     

模块化协作机器人运动特性分析及动力学仿真研究

针对UR10模块化协作机器人的构型特点,采用D-H坐标变换法建立其运动学坐标系,采用逆变换法对机器人进行逆运动学求解,求得各个关节转角。运用拉格朗日法对UR机器人进行动力学分析,利用ADAMS多体动力学仿真软件对其进行动力学仿真。结果证明,该模块化协作机器人具有良好的静态平衡性能、运动稳定性和动态响应特性。     

空间柔性机器人动力学分析的快速积分算法

以空间柔性机器人为研究对象,分析了机器人柔性多体系统动力学建模过程,研究了根据广义动力学方法所建立的大型微分-代数方程的快速数值积分算法.本文采用Lagrange方法研究了空间柔性机器人的动力学模型,通过判断系统中铰的类型(主动关节和被动关节),建立机器人系统的微分-代数动力学方程,最后采用线性多步积分算法对建立的大型微分-代数方程进行高效率求解. 仿真算例的结果表明,本文研究的线性多步积分算法对求解大型微分-代数方程速度快,效率高,为空间机器人实时动力学仿真打下坚实的基础.     

并联式髋关节康复机构设计及分析

在分析人体髋关节的结构特点和运动机制的基础上,提出采用一种3-UPU空间并联结构来设计髋关节的康复机构。基于旋量理论,对该机构的自由度进行了计算,同时对该机构动平台的位置和速度进行了分析和计算。该并联机构具有3个转动自由度且满足转动轴线交于一点,可用于实现髋关节3个转动自由度的康复训练。该分析为下一步的机构奇异分析和运动空间分析打下了基础,同时为并联机构的研究提供了新的思路。     

Dynamics modeling and simulation of mechanism with joint clearance

The existence of clearance in the joints of mechanisms system is inevitable.The movements of the real mechanism are deflection from the ideal mechanism due to the clearances and the motion accuracy is decreased.The effects of the hinge clearance on the crank and rocker mechanism system are studied.The system dynamics equation with clearance is presented.The contact dynamics model is established using the nonlinear equivalent spring-damp model and the friction effect is considered by using Coulomb friction model.Then the models are incorporated into ADAMS,and based on the model,large numbers numeric simulations are made.The regularity of contact forces in clearance are studied in detail.And the effects of clearance size,clearance friction on the mechanism dynamics characteristic are analyzed.The simulation results can predict the effects of clearance on the mechanism dynamics characteristic preferably.     

七自由度冗余混联机械臂的动力学分析

结合人体手臂关节的运动特点,提出新型七自由度冗余串并混联拟人机械臂机构,并以该机构为例提出混联机构动力学建模方法. 根据运动的传递特性,采用矢量法推导出各个构件在各关节坐标系中的速度和加速度. 基于牛顿-欧拉法在各关节坐标系建立冗余混联机械臂机构的力平衡方程,由于肩关节为过约束机构,所要求解的未知量为27个,基于牛顿欧拉法所建动力学方程为24个. 引入冗余约束力（力矩）引起的杆件变形与动平台位置误差的关系作为补充条件,利用小变形叠加原理补充3个肩关节机构的变形协调方程,联立方程组得到机械臂动力学全解模型. 通过直线、抛物线和圆形轨迹的算例仿真结果验证动力学模型的正确性,为该机构的进一步研究及应用奠定理论基础.     

欠驱动异构式下肢康复机器人动力学分析及参数优化

针对现有外骨骼机器人人机自由度不匹配和关节对中性差的问题,提出欠驱动下肢康复机器人. 欠驱动机器人只有4个直线驱动,驱动的直线运动通过推杆和人机连接机构转化为人下肢在矢状面内的屈伸运动,带动人体进行步态康复训练. 建立机器人系统的人机耦合模型,进行模型的动力学分析,对人机耦合模型中影响动力学结果的参数进行分析,建立驱动力与肢体推动力之间的关系模型,并以推力系数最大为目标进行参数分析与优化,得到最佳的结构参数. 根据优化后的结构参数搭建康复机器人实验系统,对髋、膝关节驱动力与角度进行对比. 实验结果表明最大髋关节角度误差为2.9°,最大膝关节角度误差为6.4°,最大误差均约为9%,验证了动力学模型和参数优化结果的正确性.     

基于虚拟样机技术的含间隙移动副机构动力学仿真

在ADAMS软件中建立含间隙移动副曲柄滑块机构的虚拟样机模型,进行动力学仿真研究。该方法很大程度减少了机构动力学方程推导及其求解的工作量,对其它含间隙运动副机构的动力学研究具有普遍意义。     

基于空间动力学优化的机床结构件质量匹配设计

提出基于整机空间动力学预测模型、以移动结构件质量为设计变量的多目标匹配设计方法. 基于机床移动件的工作行程构建整机工作空间,运用正交试验法进行空间位姿试验设计,建立整机空间固有频率预测模型;在工作空间内对机床进行动力学性能的灵敏度分析,识别动力学的最优位姿和最差位姿;以最差位姿机床固有频率为优化目标,采用多目标质量匹配法对移动部件的质量进行最佳分布设计;重新计算优化后机床的固有频率,通过频率响应分析,比较优化前、后机床在最差和最优位姿下的动力学性能. 结果表明,经过多目标质量匹配优化后,机床的固有频率得到了提高,刀尖节点的最大频响振幅明显降低,机床的整机动力学性能有了较大程度的改善.     

Extremum response surface method of reliability analysis on two-link flexible robot manipulator

In order to present a new method for analyzing the reliability of a two-link flexible robot manipulator, Lagrange dynamics differential equations of the two-link flexible robot manipulator were established by using the integrated modal method and the multi-body system dynamics method. By using the Monte Carlo method, the random sample values of the dynamic parameters were obtained and Lagrange dynamics differential equations were solved for each random sample value which revealed their displacement, speed and acceleration. On this basis, dynamic stresses and deformations were obtained. By taking the maximum values of the stresses and the deformations as output responses and the random sample values of dynamic parameters as input quantities, extremum response surface functions were established. A number of random samples were then obtained by using the Monte Carlo method and then the reliability was analyzed by using the extremum response surface method. The results show that the extremum response surface method is an efficient and fast reliability analysis method with high-accuracy for the two-link flexible robot manipulator.     

网格计算环境中的球面并联机器人动力学仿真

基于以子结构为基本单元的建模思想,建立了3-DOF球面并联机器人的动力学解析模型,并基于网格计算技术构建了球面并联机器人动力学仿真的分布式并行计算环境。在网格计算环境中,由网格计算节点利用离线生成的动力学解析模型完成球面并联机器人动力学模型的并行仿真计算,减少了机器人动力学模型在线计算量和计算时间,为机器人的实时控制和仿真提供了有利条件。给出了球面并联机器人动力学模型矩阵的解析代码生成和仿真计算实例,研究了可调尺寸参数和惯性参数对机器人驱动力矩的影响。