考虑最小尺寸控制的压力驱动柔顺机构拓扑优化设计

拓扑优化设计的压力驱动柔顺机构拓扑构型容易出现类铰链结构,导致难以制造加工。为了满足制造工艺要求,提出一种考虑最小尺寸控制的压力驱动柔顺机构拓扑优化设计方法。采用改进的固体各向同性材料惩罚模型,利用达西定律结合排水项计算流体压力载荷,以机构的互应变能最大化和应变能最小化为优化目标,采用Otsu算法和拓扑细化算法提取柔顺机构的骨架特征,从而构建最小特征尺寸控制,以结构体积和最小特征尺寸作为约束,建立考虑最小尺寸控制的压力驱动柔顺机构拓扑优化模型,采用移动渐近线算法进行压力驱动柔顺机构拓扑优化问题求解。数值算例结果表明,所提设计方法获得的压力驱动柔顺机构最小特征尺寸满足约束,能够有效地抑制类铰链结构,并且分析不同最小控制尺寸对柔顺机构拓扑优化结果影响规律。     

用计算机几何技术求解多自由度平面机构的运动

综合采用计算机辅助几何约束、尺寸约束、尺寸方程和尺寸驱动技术，构造一些典型的多自由度平面连杆模拟机构。给定每个输入件的驱动尺寸，确定输出件被驱动尺寸，求解输出运动杆件位姿。利用CAD软件的记录功能，得到机构输出杆件位姿数据。用Excel软件拟合位姿数据，得到每个输入件驱动尺寸与输出件被驱动尺寸位姿拟合曲线和拟合方程。求解了机构输出件的速度和加速度方程。计算机模拟结果表明，该方法简捷直观、求解精度高、重复性好，而且可以完成复杂机构和多自由度机构的运动分析，为机器人和复合运动机构的运动分析提供更有效的工具。     

整体式平面三自由度全柔顺并联机构构型拓扑优化设计

基于平面三自由度全柔顺并联机构与传统并联机构的微分运动学矢量连续映射关系,建立整体式平面三自由度全柔顺并联机构构型拓扑优化模型-固体各向同性材料插值(Solid isotropic material with penalization,SIMP)模型,运用优化准则(Optimization criterion,OC)算法对所建立模型求解,采用Heaviside过滤技术处理优化过程中棋盘格和网格依赖问题。基于曲线拟合方法对优化后整体构型轮廓进行拟合,在Solid Works软件中建立其三维模型,进而应用有限元软件进行静力学仿真分析与对比,结果表明:以微分运动学矢量连续映射关系为拓扑优化设计条件,所得出的平面三自由度全柔顺并联机构与传统并联机构具有相同的微分运动特性,定性验证了基于拓扑方法对平面全柔顺并联机构设计的有效性。     

平面三自由度柔顺机构构型设计与性能分析

采用并联原型机构微分雅克比矩阵与实体各向同性材料惩罚函数法(Solid isotropic material with penalization, SIMP)相结合的拓扑优化方法,以柔度最小和低阶模态频率最大为多设计目标,建立平面三自由度柔顺机构拓扑优化模型实现拓扑优化。以拓扑优化得到的模型边界为形状优化为设计变量,对拓扑优化模型应力与末端位移约束为优化目标进行二次优化。采用增材制造方法3D打印技术对平面三自由度柔顺机构拓扑构型进行加工,并采用雷尼绍双频激光干涉仪进行测量与数据采集。实验与有限元仿真对比结果表明:采用多目标拓扑优化和形状优化组合形成二次优化,运用二次优化方法设计得到的平面三自由度柔顺并联机构,在满足机构具有很好的整体刚度要求下,拥有很高的低阶模态频率实现振动拟制,而且能够实现微纳尺度位移运动特性。     

用计算机几何技术求解平面机构动力学的方法

提出用计算机几何技术求解平面机构的动力学。采用CAD的几何约束、尺寸约束、尺寸方程和尺寸驱动等计算机几何技术,构造一些典型平面连杆模拟机构。给定输入件的驱动尺寸,确定输出件被驱动尺寸,求出各个杆件运动位姿和一些杆件之间相互位姿尺寸。根据实际工作载荷和机构特点,构造机构模拟力学分析模型,求出作用杆件关键联接铰点的载荷和输入件上的驱动载荷,利用CAD软件的记录功能,得到机构关键载荷数据曲线。计算机模拟结果表明,该方法不仅具有简捷直观、求解精度高和重复性好的优点,而且可以完成复杂机构和多自由度机构的动力分析,为机构的动力学分析提供更有效的工具。     

空间凸轮机构轮廓建模方法研究与实现

将空间凸轮的圆柱(或圆锥)面展开,按平面凸轮轮廓曲线的设计方法求得展开轮廓曲线坐标,获得二维的凸轮轮廓曲线.基于SolidWorks中的包覆特征,以平面轮廓曲线为草图准确地将曲线包覆还原在圆柱(或圆锥)面上,以此建立空间凸轮机构的三维模型.以直动从动件摆动运动规律的圆柱凸轮机构为例说明建模的实现过程.     

柔顺桥式位移放大机构的非线性建模与优化

柔顺桥式位移放大机构因结构紧凑、位移放大倍数大等优点已成为精密工程领域的研究热点。针对以往研究仅在线性范围内讨论桥式位移放大机构的设计与分析的问题,本文对典型集中柔度桥式位移放大机构进行了非线性建模与优化。考虑剪切作用与几何非线性,通过能量法、有限单元法与数值拟合,对机构的输入输出关系进行半解析建模,以实现非线性结果的快速预测。为实现输出位移最大化与抑制几何非线性作用,提出机构平面内尺寸与厚度的综合优化策略。ANSYS Workbench有限元仿真显示,机构非线性建模误差均在5%以内且优化结果具备有效性。本文提出的两步法半解析非线性建模方法以及平面内尺寸和厚度的综合非线性优化策略对其它复杂柔顺机构的非线性结果快速预测与优化设计具有参考意义。     

二维微执行器几何非线性拓扑优化设计与试验

多自由度柔顺机构在微动精密定位和精密操作等领域有广泛的应用,并且柔顺机构拓扑优化后所得机构都是锯齿状跳跃边界的几何图像,不能直接应用于工程实际,因而对多自由度柔顺机构拓扑优化、提取与试验研究就显得十分必要。基于此,以二维微执行器为例,进行多自由度柔顺机构几何非线性拓扑优化、拓扑图提取与试验研究。首先,给出了考虑耦合抑制输出的多输入多输出柔顺机构几何非线性拓扑优化数学模型及优化算法。其次,针对柔顺机构性能特点,给出了一种拓扑提取方法。提取过程包括灰度图像二值化、密度等值线方法边界近似和曲线重构三个部分。最后,以二维微执行器为基础,采用线切割加工工艺,研制了二维微执行器原型,并对其位移性能进行了试验测试,结果表明,该二维微执行器试验结果与理论分析结果基本吻合,达到了设计要求,同时也验证了所提方法的有效性。     

二自由度平面冗余并联机构杆件长度的误差分析

为获得平面冗余并联机构各杆件长度尺寸误差关系,进行了机构的位置建模,优化了误差尺寸。并联机构参考固高GPM2012机器人,选取顺时针构型,利用2条驱动闭链,建立了该机构的输出点位置方程组和误差方程,运用泰勒公式展开,获得误差项,定义了杆件误差影响系数,同时遍历工作空间,获得各杆件误差影响系数分布图,指出在并联机构中,各杆件基本长度相同情况下,不同的误差尺寸对输出位置影响不同。最后,采用优化设计的方法,给出了多种情况下的杆件误差比例关系。     

基于有限元法的柔顺机构动力学分析

为描述柔顺机构动力学特性,需要建立其动力学模型。基于有限元法,根据Lagrange方程建立柔顺机构的动力学方程。在此基础上,得到机构各阶固有频率和模态,并给出固有频率和模态对各项设计变量的灵敏度计算方法。推导出柔顺机构中柔性杆件上任意一点应变的算法,计入应变中的非线性项。求解柔性杆件上任意位置的动应力,并计算杆件在各个时刻的最大应力及出现的位置。以平面柔顺四杆机构为例进行分析,说明基于有限元法对柔顺机构的动力学特性分析的可行性和有效性,并且指出柔顺机构杆件的动应力和应变分析对柔顺机构的优化设计具有重要意义。     

Integrating mechanism synthesis and topological optimization technique for stiffness-oriented design of a three degrees-of-freedom flexure-based parallel mechanism

This paper introduces a new design approach to synthesize multiple degrees-of-freedom (DOF) flexure-based parallel mechanism (FPM). Termed as an integrated design approach, it is a systematic design methodology, which integrates both classical mechanism synthesis and modern topology optimization technique, to deliver an optimized multi-DOF FPM. This design approach is separated into two levels. At sub-chain level, a novel topology optimization technique, which uses the classical linkage mechanisms as DNA seeds, is used to synthesize the compliant joints or limbs. At configuration level, the optimal compliant joints are used to form the parallel limbs of the multi-DOF FPM and another stage of optimization was conducted to determine the optimal space distribution between these compliant joints so as to generate a multi-DOF FPM with optimized stiffness characteristic. In this paper, the design of a 3-DOF planar motion FPM was used to demonstrate the effectiveness and accuracy of this proposed design approach.     

基于转动约束策略的柔顺机构拓扑优化

柔顺机构在航天航空、生物医疗、及仿生机器人等高新科技领域的精密微机械系统中拥有巨大的应用潜力。目前,拓扑优化是柔顺机构构型设计的主要方法之一。为了解决传统柔顺机构拓扑优化设计中存在虚铰的问题,首先,将旋转角引入柔顺机构构型设计中,以旋转角为观测指标,分析拓扑优化结果中存在虚铰的原因。其次,通过约束设计域内的旋转角平方的平均值不超过许用值,建立无铰链式柔顺机构拓扑优化模型,并且利用伴随法推导与之相应的灵敏度分析列式。最后,采用反向位移机构与柔性夹钳这两个经典算例的拓扑优化设计验证了所提优化模型的可行性和有效性。研究结果表明：基于转动约束策略获得的具有类桁架构型无铰链式柔顺机构,虽然在输入位移与输出位移方面表现出一定程度的减少,但避免了局部应变过大、应力集中问题的出现。     

多输入多输出柔顺机构拓扑优化及输出耦合的抑制

多自由度柔顺机构在微动精密定位和精密操作等领域有广泛的应用,因而研究多自由度柔顺机构的拓扑优化方法就显得十分必要。给出了一种多输入多输出柔顺机构拓扑优化设计的新方法。首先,推导了描述多输入多输出柔顺机构柔性的互应变能公式和描述机构刚性的应变能公式,研究了抑制耦合输出的策略,进一步给出了描述输出耦合效应的计算公式,在此基础上建立了考虑抑制输入输出耦合效应时柔顺机构的多目标拓扑优化设计模型。其次,基于改进的优化准则法给出了优化模型的有效求解算法。最后,通过算例说明了该方法的正确性和有效性,研究结果表明,拓扑优化后柔顺机构可以按照预定的要求运动,其输出耦合现象得到了有效抑制。     

基于多目标拓扑优化的全柔顺并联机构构型固有振动频率研究

为有效抑制随机振动对超精密定位与加工装备性能的影响,提高本体机构的固有响应频率,提出了基于多目标拓扑优化的全柔顺并联机构构型设计方法。基于折衷规划法和平均频率法定义了多目标优化函数,并以体积分数为约束条件,建立了全柔顺并联机构SIMP拓扑优化模型。基于Optistruct软件及优化准则算法,并结合微分矢量同构映射雅可比矩阵,实现了全柔顺并联机构构型多目标拓扑优化设计。研究结果表明：所设计出的3-PRR型全柔顺并联机构与并联原型机构具有微分运动一致性,且优化过程中的频率交叉振荡明显减弱并趋于收敛。     

拓扑优化技术在机翼前缘设计中的应用

针对柔性机构实现机翼前缘变形问题,应用连续体拓扑优化技术,以实际位移与目标位移之间的偏差为目标函数,材料用量和屈服应力为约束,并考虑到机翼表面受载荷约束等实际情况,建立SIMP(solid isotropic material with penalization)密度刚度插值的拓扑优化模型。分别采用Mat-lab及Ansys软件对柔性机构优化设计和仿真分析,并最终进行了铝合金实物模型形变实验。研究结果显示:机翼前缘断面模型在0~1 N/mm均布外载约束下,可实现0~6.7°理想的机翼前缘变形。     

实现高载荷下机翼前缘形状变化的柔性机构优化设计

为使柔性机构在高载荷作用下能实现预期的形状变化,提出了柔性机构的二次优化设计方法。以柔性机构的变形边界与目标边界间的最小平方差(LSE)为优化目标。采用遗传算法(GA),对柔性机构进行全局优化,求得其初始拓扑解;再采用约束随机探索法进行二次优化,求得柔性机构尺寸的精确解。以柔性机构实现机翼前缘形状变化问题为例,运用MATLAB7.1进行编程计算。结果表明,通过对GA初始拓扑解的二次优化,最小平方差下降了31.48%。最后运用ANSYS验证其变形结果基本一致。     

Spring-joint method for topology optimization of planar passive compliant mechanisms

There is seldom approach developed for the initial topology design of flexure-based compliant mechanisms. The most commonly-used approaches, which start with an existing rigid-body mechanism, do not consider the performances between different topologies. Moreover, they rely heavily on the rigid-body topology, therefore limit the diversity of compliant mechanisms topology. To obtain the optimal initial topology of such mechanisms directly from problem specifications without referencing to the existing mechanism topologies, a spring-joint method is presented for a restricted class of the serial passive flexure-based compliant mechanisms, which are the building blocks of parallel compliant mechanisms. The topology of the compliant mechanisms is represented by a serial spring-joint mechanism（SSJM） that is a traditional rigid-body mechanism with a torsional spring acting on each joint, and is described by position vectors of the spring-joints. A simplified compliance matrix, determined by the position vectors, is used to characterize the tip of the SSJM kinematically, and is optimized to ensure the desired freedoms of the compliant mechanisms during optimization. The topology optimization problem is formulated as finding out the optimal position of the spring-joints in a blank design domain with an objective function derived from the simplified compliance matrix. In design examples, syntheses of the compliant mechanisms with both single freedom and two decoupled freedoms are presented to illustrate the proposed method. The proposed method provides a new way for the initial design of flexure-based compliant mechanisms.     

考虑输出耦合时柔顺机构拓扑与压电驱动单元的优化设计

研究了柔顺机构拓扑优化与压电驱动单元位置和尺寸的最优设计问题,首先给出了多目标优化设计模型。在优化设计模型中不仅考虑了机构与驱动器的耦合,同时还考虑了机构柔度与刚度之间的协调问题和输出耦合的抑制策略与方法,在此基础上给出了机构拓扑、驱动单元的位置和尺寸的优化算法。最后,通过算例说明了该方法的正确性和有效性。     

Simultaneous control of the motion and stiffness of redundant closed-loop link mechanisms with elastic elements

This paper describes the position and stiffness control of planar redundant link mechanisms with elastic elements in order to utilize the flexibility of robots. Assigning both of the two-dimensional position and stiffness of an output link as an output vector, the procedure of the forward kineto-static analysis for the planar redundant link mechanisms with elastic elements is formulated. The mechanisms have elastic linearactuators composed of a coil spring and linearactuator and rotary actuators and multi jointed links. An inverse kineto-static analysis to obtain the optimum input motions which can generate the desired position and stiffness of the output link while taking into account the motion range of the linearactuator is also conducted and applied to the optimum motion control of the mechanism. Several simulations and experiments with a prototype of a planar closed-loop manipulator with 5 DOF and 4 output show the effectiveness of the proposed method.