一般并联机构的刚度范围分析

并联机构的雅可比矩阵表示机构输入速度和输出速度的线性关系。根据刚度的定义,利用虚功原理,可以导出并联机构关节力与相应的广义操作力之间的关系,进而推导了一般并联机构在某位姿时刚度的标量指标。同时确定出此时并联机构刚度的范围。接着以两种常见的一般并联机构为例,比较了它们在相同位姿时的刚度,为并联机构的构型设计和优化提供了依据。     

3/6-SPS 并联机构刚度和弹性变形的解析法分析

针对并联机构中机构的刚度和弹性变形随外载荷变化的问题,以3/6-SPS 并联机构为例,采用解析法求解分析其总刚度矩阵和弹性变形。首先,分析该并联机构受力位置并确定驱动力及其姿态;然后,分析该机构的驱动约束分支的弹性变形,导出驱动约束分支的伴随矩阵;最后求解出该并联机构的总刚度矩阵和弹性变形。得到结论：当建立3/6-SPS 并联机构的总刚度矩阵和求解弹性变形时,必须理清刚度和位姿、广义六维力之间的关系。     

基于并联机构的六分量并联天平及其力雅可比矩阵研究

为了由感测力导出被测模型受力 ,必须研究基于Stewart平台六维力传感器的力变换关系。本文将并联机构引入风洞天平 ,提出了并联天平的概念 ,应用并联机构学理论 ,对并联天平实现的关键理论问题即天平感测力与被测模型上所受的六维力的转化关系进行了研究 ,得到了二者转化的力雅可比矩阵 ,同时推导出基于 5个基本结构参数的雅可比矩阵条件数 ,并用数值算例加以验证。为该类天平的优化和设计奠定了理论基础     

空间并联机构连续刚度非线性映射

基于影响系数法并借助虚功原理建立包含主、被动关节弹性变形,杆件及其平台自重的空间并联机构连续刚度非线性映射通用模型。空间并联机构连续刚度非线性映射通用模型与以往刚度模型区别在于,它不仅考虑了机构主动驱动关节、被动关节弹性变形及各部件重力对机构刚度的影响,而且考虑了机构刚度变化的连续过程,没有忽略机构在广义外力下变形时雅可比矩阵的变化,通过引进机构的二阶影响系数,从而使空间并联机构刚度非线性映射还原。从机构简化约束方程出发,推导空间并联机构几类连续刚度简化映射矩阵。在此基础上,结合刚度矩阵瑞利商定义了空间并联机构连续刚度性能判定指标k。最后给出一空间并联机构刚度分析实例,分别计算两种模型下的刚度矩阵,并对比两种模型下机构刚度性能。     

基于加权广义逆求解被动过约束刚-柔耦合并联机构的受力问题*

提出一种直接应用力映射矩阵的加权广义逆求解一般被动过约束并联机构(指分支提供给动平台的约束力/力偶数目大于等于1的被动过约束并联机构)的超静定受力问题的方法。基于小变形叠加原理和螺旋理论得到了分支约束力螺旋系刚度矩阵的一般表达式。推导一般被动过约束并联机构的各分支约束力螺旋系幅值与六维外力之间的映射关系式,进而证明了该关系式恰好是力映射矩阵的加权广义逆,其中加权矩阵为各分支约束力螺旋系刚度矩阵组成的分块对角阵的逆。以3-RRC空间三自由度被动过约束并联机构和一个并联振动平台为例,直接应用加权广义逆求解了机构各分支约束力螺旋系的幅值,并进行仿真验证。基于加权广义逆求解被动过约束并联机构的超静定受力问题大大简化了求解过程且解的形式统一、简单。     

转动型3-UPU并联机构的刚度分析

根据由并联机构的Jacobian矩阵表达的刚度矩阵,本文分析了转动型3-UPU并联机构刚度矩阵的特点和刚度矩阵主轴的变化规律.结果表明,最大刚度方向占据了相对稳定和集中的部分,并且当动平台平面和静平台平面接近平行时,并联机构的刚度较高.转动型3-UPU并联机构刚度矩阵分析对并联机构的设计具有一定的指导作用.     

冗余驱动支链对3RPS并联机构刚度的改善

在考虑雅可比矩阵变化与动平台姿态偏移之间映射关系的基础上,基于螺旋理论和矢量微分法建立了3RPS并联机构末端位姿偏移与支链构件变形之间的映射模型。首先采用螺旋理论和矢量微分法分析了支链各构件刚度与整个支链刚度之间的关系,然后建立了3RPS并联机构的瞬时刚度模型,并分析了雅可比矩阵的变化对机构刚度的影响。对冗余驱动支链改善并联机构刚度的原理进行了分析,建立了冗余驱动并联机构的整机刚度模型。仿真分析和实验验证,冗余驱动支链确实能够改善并联机构的刚度。     

绳牵引并联机器人的静刚度解析

基于微分变换和线几何理论,建立包含关节弹性变形以及绳拉力等因素的绳牵引并联机器人的刚度模型,推导刚度矩阵的数学表达式.模型不仅考虑驱动单元、绳的弹性变形对机构刚度的影响,而且考虑机构在广义外力作用下由末端执行器微分运动所引起的结构矩阵的变化.通过线矢量的引入,分步求导模型中结构矩阵对末端执行器位姿变分的三维Hessian矩阵.模型表明,绳牵引并联机器人的系统刚度由两部分组成,其中一部分主要取决于绳的几何布置、末端执行器的位姿、驱动支链的物理特性;另一部分表达为结构矩阵相对末端执行器位姿的变分-Hessian矩阵与绳拉力矢量的乘积.大射电望远镜5m缩尺模型数值仿真与试验结果的对比验证了该方法的正确有效.     

移动型3-UPU并联机构的刚度分析

分析了移动型3-UPU并联机构刚度矩阵的特点和刚度矩阵主轴的变化规律.结果表明,并联机构几何参数的变化只对工作空间的大小和形状有影响,而对刚度矩阵的特征向量大小及方向几乎没有影响,最小刚度方向分布在垂直于静平台平面的锥体内.移动型3-UPU并联机构刚度矩阵分析对并联机构的设计具有一定的指导作用.     

基于压电陶瓷驱动的并联微动机器人静力学及其微动平台的静刚度分析

并联微动机器人通过弹性铰链的弹性变形实现终端平台的微运动,静力学和静刚度是微动机器人必须解决的问题。充分考虑弹性铰链的弹性反力/力矩,对6-PSS并联微动机器人进行静力学分析,建立了压电陶瓷驱动力与微动平台外载的关系模型,并定义了微动机器人的驱动刚度矩阵。基于并联微动机器人的特殊性,定义了微动平台的刚度,通过静刚度分析推导出了微动平台刚度矩阵,为并联微动机器人结构刚度设计、弹性铰链刚度综合和动力学分析提供了理论基础。     

新型PRRR+PURU+S球面并联人形机器人踝关节机构静刚度性能分析

提出了一种新型PRRR+PURU+S球面并联人形机器人踝关节机构,对该8次超静定机构进行了静刚度分析。首先基于各构件的弹性变形,利用小变形叠加原理,推导出机构动平台角位移、球心点线位移与各作用力的解析关系式;然后利用该机构静力学分析的结果,即各构件上的力与机构外载荷的关系方程,建立机构外载荷与机构动平台角位移、球心点线位移的解析关系,进而得到机构的静刚度矩阵;最后采用正交变换方法,得到机构的6个主刚度及其所在方向。研究结果表明,与UP+R踝关节机构相比,新型踝关节机构的角位移刚度、线位移刚度均有增大,其中线位移刚度大幅增大,基本实现刚度均衡。     

5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床完整刚度模型及其刚度特性

基于全雅可比矩阵和虚功原理建立了5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床的完整刚度模型。首先基于螺旋理论推导出约束分支中的约束雅可比矩阵;然后锁定分支中的主动副并利用互易积原理求得驱动雅可比矩阵,最后提出了冗余驱动雅可比矩阵。利用约束力、驱动力和冗余驱动力与外力的映射关系,结合虚功原理,得到系统整体刚度矩阵。考虑虎克铰、轴承等传动部件的轴向变形对分支轴向刚度的影响,构造了各个分支的轴向刚度模型。借助激光跟踪仪对所建立的刚度模型进行了实验测试。结果表明:该刚度模型的误差为2%~5%,验证了理论分析的可靠性。在此基础上,以机床的线刚度和角刚度的最小值为刚度性能指标,分析了其在工作空间内的分布情况。分析显示:机床线刚度的最小值主要分布在Y轴两侧,角刚度的最小值则主要分布在-0.05≤z≤0.05m和-0.11≤y≤-0.05m,因此,在进行并联机床工具规划时应该尽量避免该区域。文中内容可为并联机床刀具运动轨迹的优化提供参考依据。     

求解3-RPS并联机构刚度的新方法

对于少自由度机构来说,由于结构约束的存在,机构中出现了约束反力,约束反力会在机构中产生变形,影响整个机构的精度,在机构分析中必须加以考虑。基于此,以传统的3-RPS并联机构为例,给出考虑约束反力产生变形的刚度模型的建立方法。首先,用观察法分析该机构中存在的约束反力。其次,建立该机构的6×6形式雅可比矩阵,并运用虚功原理建立该机构的静力学模型。最后,分析机构在驱动力和约束力共同作用下产生的弹性变形。在约束反力产生的变形方向上虚设P副,将3-RPS机构的变形和刚度分析转化为一个等效的无约束反力的6自由度并联机构3-RPPS的变形和刚度分析。这种方法给少自由度机构的研究提供了一些新观点。     

5-UPS/PRPU冗余驱动并联机构的内力分析与协调

基于全雅可比矩阵和伪逆法求解了5-UPS/PRPU冗余驱动并联机构的内力,并提出了一种基于冗余驱动变刚度的协调内力的方法。通过求解机构的变形协调方程,得到机构的全雅可比矩阵的加权广义逆,从而求得该5-UPS/PRPU冗余驱动并联机构的内力表达式,通过有限元软件验证了该方法的正确性。以相应的5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床为例,分析了冗余分支驱动刚度的变化对各个分支内力幅值的影响,进而提出了一种协调内力的方法。通过分析其内力随冗余分支刚度的变化分布情况可知,非冗余分支各个驱动螺旋以及冗余分支约束螺旋所对应的内力幅值可以通过在一定程度上增大冗余分支的驱动刚度来降低。该方法对机械结构设计人员以及控制系统搭建人员在提高系统精度、降低系统内力方面有重要的参考价值。     

3自由度并联柔索驱动变刚度操作臂的刚度控制

利用柔索的弹性及驱动冗余性构造了一种3自由度并联柔索驱动变刚度操作臂,在静力学与刚度分析的基础上,进行刚度控制研究。首先,将柔索驱动力映射到关节空间,并分析等效关节力与柔索张力和外力的关系, 提出该操作臂的三维力矢量闭合原理。根据微分变换原理进行刚度分析,得到关节刚度矩阵及操作手刚度矩阵, 并进行数值算例分析,结果表明:刚度与柔索的张力有关,调节柔索张力可以改变系统刚度。最后,采用位置与张力混合控制的策略,对该变刚度操作臂进行了刚度控制,并进行了仿真验证。     

Vex4冗余驱动并联机构的动力学建模、力优化及力位混合控制

并联机构引入冗余驱动可消除机构奇异位型,提高刚度和负载能力。但冗余驱动造成驱动力求解不唯一,可能引起内力对抗,造成能量损耗甚至机构损坏。因此冗余驱动并联机构的动力学建模与控制必须考虑驱动力分配和优化。应用自然正交补(NOC)法对Vex4三自由度冗余驱动并联机构进行动力学建模,采用右Moore-Penrose广义逆矩阵通过QR分解转置系数矩阵得到最小驱动力优化解。为平衡驱动力并跟踪轨迹,在力位混合即非冗余支链位置控制、冗余支链力(矩)控制基础上,采用动力学差分提出一种位控、力控支链驱动力同步优化方法,设计同步优化力位混合控制器实现轨迹跟踪控制。搭建Vex4冗余驱动并联机构样机开展轨迹跟踪试验,验证了所提优化和控制方法的有效性。     

液压悬置非线性动态特性仿真研究

针对液压悬置复杂的动态特性,运用流体动力学理论及液压原理,建立了某轿车动力总成液压悬置的非线性数学模型,提出了模拟液压悬置动态特性的一种数值分析方法,并对目标液压悬置的动态特性进行了多工况仿真实验对比。研究结果表明所建模型是正确的、实用的,而且其通用性较强,能为下一步更精确的汽车动力总成悬置系统匹配选型、优化分析、隔振特性研究提供基础。