平面整体式三自由度全柔顺并联机构拓扑优化构型设计及振动频率分析

通过建立并联原型机构的微分雅克比矩阵方程,实现平面整体式三自由度全柔顺并联机构与并联原型机构之间的矢量同构映射。在此基础上,建立平面整体式3-PRR型全柔顺并联机构SIMP拓扑优化模型,并采用优化准则算法,结合矢量同构映射方程,进行了平面整体式3-PRR型全柔顺并联机构同构构型设计,通过应力分布和前四阶振动固有频率仿真对比研究表明：所采取的拓扑优化设计方法使平面整体式全柔顺并联机构具有一定的均布刚度和较好的振动抑制性能,且对其振动频率的分析可为机构尺寸优化及振型优化提供了重要的依据。同时,微运动特性的仿真表明其与传统并联原型机构之间的运动学同构性一致。该结果对平面整体式全柔顺并联机构的构型拓扑优化设计有实际意义。     

基于拓扑优化的平面2-DOF柔顺并联机构构型设计

目的运用拓扑优化技术设计一种平面2-DOF(Degrees-of-Freedom)柔顺并联机构,使其具有微米级别的微运动特性。方法依据平面2-DOF并联原型机构的受力情况进行运动特性分析,基于同构封闭矢量映射原理构建平面2-DOF柔顺并联机构的微分运动Jacobian矩阵,表达多自由度的柔顺并联机构从输入到输出间各关节的运动关系。定义柔度为优化目标函数,微分运动Jacobian矩阵为运动条件,材料体积分数为约束条件,构建平面2-DOF柔顺并联机构材料属性的有理近似模型,并运用移动渐进线法优化求解。结果优化后的平面2-DOF柔顺并联机构构型在x方向的位移为-0.0089mm,在y方向的位移为0.0053 mm,同时,其沿x方向和y方向的微位移理论值为-0.0031 mm和0.0067 mm。结论与并联原型机构的运动特性相比,平面2-DOF柔顺并联机构优化后的微运动特性具有一致性,均为微米级。     

2-UPR-SPR并联机构的刚度与谐响应分析

目的针对一种两转一移三自由度封装并联机构2-RPU-SPR自动化包装过程中高工作精度的特殊应用要求,运用有限元法对其进行刚度与谐响应分析,从而研究机构的刚度和抗振性能。方法运用Solid Works建立三维实体模型,然后导入Ansys Workbench软件进行分析。结果得到机构在外力作用下3种不同姿态的位移变形云图,并通过模态分析,得知2-RPU-SPR并联机构1—6阶固有频率分别为130.39,133.42,218.35,760.36,768.07,776.96 Hz,以及各阶频率下的振型。在此基础上进行谐响应分析,得出动平台在x,y,z轴方向的位移响应曲线。结论找出了机构刚度的薄弱部位,得出了刚度随位姿变化的规律;通过谐响应分析验证了该并联机构的抗振性能,得出机构应避免的敏感频率,这为该封装并联机构的进一步动态设计与优化奠定了基础。     

新型四自由度3T1R并联机器人机构运动学分析与优化设计

目的 针对自动化生产线分拣需求,提出一种新型四自由度的三平移一转动（3T1R）并联机器人机构。方法 根据方位特征集设计理论验证并联机器人机构的运动性质。利用机构的构型特点建立运动学方程模型,对其进行位置正解和逆解的分析,通过数值法搜索得到并联机器人机构的工作空间图形和转动能力等高线图。同时分析并联机器人机构的雅可比矩阵JX以及奇异性。最后以工作空间最大化作为适应度函数,基于遗传算法对机构结构尺寸进行最优化分析。结果 该机构操作空间具有规则形状、无空洞、较大的特点,优化后的并联机器人机构工作空间性能提升45%。结论 操作空间内运动灵活性较好,优化后工作空间性能得到显著改善。在电子包装自动化生产线搬运分拣领域具有较好的应用前景。     

三自由度并联包装机构动力学建模与分析

目的为了提高一种三自由度并联包装机构动态性能,对其进行动力学建模与仿真研究。方法首先建立机构三维模型并进行位置反解计算,而后应用凯恩法列出动力学方程。在对支链模态分析基础上依托多体动力学仿真软件ADAMS与有限元软件Ansys,将各连接杆件由刚体转换为柔性体进行刚柔耦合动力学分析。结果通过动力学建模求得了驱动杆在广义坐标下的驱动力。由模态分析求得支链的第1阶到第6阶固有频率分别为88.656,108.95,119.96,125.33,131.07,138.77 Hz,以及机构在各个阶次下的振型。得到了机构动平台质心运动位移、速度、加速度,以及关节驱动力、力矩变化曲线。结论并联包装机构中刚度薄弱环节位于球铰连接两端,在各阶模态振型中,振动相对位移较大位置位于动平台和支链中部滑块;连接杆件会对动平台运动性能、关节驱动力产生一定的影响。分析结果为并联机构进一步优化提供了理论依据。     

柔顺停歇机构伪刚体模型的运动学和动力学分析

针对柔顺停歇机构的柔性构件在运动中产生的大变形、大挠度等几何非线性行为,采用伪刚体模型法来分析该类非线性大变形系统.首先,基于大挠度理论对大变形柔性梁进行屈曲分析,运用第一、第二类椭圆积分模拟初始状态为直梁的柔性梁,用多项式拟合得到其载荷—位移关系式.结合边界条件与受力特性,得到柔性梁的等效非线性弹簧伪刚体模型.在此基...     

大行程柔顺对称缓冲机构设计与分析

针对传统缓冲机构结构相对复杂、体积质量较大的不足,面向小口径电磁发射武器对称缓冲、大垂向负载的需求,该研究提出了一种柔顺梁竖直布置、柔顺机构左右对称布局的缓冲器与摇架一体化设计的柔顺对称缓冲机构,分析了缓冲机构中柔顺直线导向机构(linear guide compliant mechanism,LGCM)的刚度、行程以及垂向承载能力等参数,并进行了仿真验证与静动态试验测试,柔顺对称缓冲机构的刚度为892.82 N/mm,行程为±7 mm,垂向承载能力可达12400 N,之后进行了实弹射击测试。测试结果表明,缓冲机构最大后坐位移为5.12 mm,经缓冲后的最大冲击传递力为4743.7 N,有效降低了后坐冲击,达到了缓冲机构设计目标。     

空间非对称全柔性三平移并联机器人机构性能分析

 运用型综合单开链理论对新型非对称全柔性机器人机构的型进行了分析综合，并通过ADAMS软件进行了运动输出类型的验证; 对该机构的运动学的位置正解进行了理论分析，得出机构运动的位置正解方程，对理论分析的结果也进行了仿真模拟; 型综合与仿真结果证明机器人机构仅能实现三维的平动; 位置正解理论分析与运动学仿真结果显示机构具有良好的运动解耦特性。为全柔性并联机器人机构的运动控制的易操作性打下坚实的理论基础。     

空间非对称全柔性三平移并联机器人机构性能分析

运用型综合单开链理论对新型非对称全柔性机器人机构的型进行了分析综合,并通过ADAMS软件进行了运动输出类型的验证;对该机构的运动学的位置正解进行了理论分析,得出机构运动的位置正解方程,对理论分析的结果也进行了仿真模拟;型综合与仿真结果证明机器人机构仅能实现三维的平动;位置正解理论分析与运动学仿真结果显示机构具有良好的运动解耦特性.为全柔性并联机器人机构的运动控制的易操作性打下坚实的理论基础.     

一种装箱作业并联机器人机构的运动性能

目的针对目前食品、药品等装箱作业要求,将一种新型二自由度平面并联机器人用于装箱生产线的作业机构,并对其进行运动性能研究,确定其能否满足生产要求。方法对并联机构进行运动学分析,建立并联机器人的雅可比矩阵,利用几何法求解位置正、逆解;引入稳定性、运动分辨率和刚度性能指标,对机构进行运动性能分析,绘制稳定性和运动分辨率在工作空间内的性能分布图谱,研究机构在竖直方向上的刚度性能。结果该并联机构在实际装箱作业中的运动性能较为稳定,抓取或者放置物体阶段具有较高精度,且竖直方向的刚度较高。结论该新型二自由度平面并联机器人能够满足产品的装箱作业,在实际装箱作业中取得了广泛应用。     

柔性并联机构手指的机械手结构参数优化

目的为了满足生产中分拣软塑料食品罐的需求,提出一种柔性并联机构手指的机械手。方法以机械手静止负载时和悬停负载时抓取力之差最小为优化目标,运用Matlab软件中的fsolve函数和for循环语句求出机械手优化参数的解。结果以质量不超过0.25 kg的塑料食品罐为抓取对象,计算得出机械手静止负载和悬停负载时抓取力之差不超1 N。结论在不损坏物体表面的前提下,可以实现对目标抓取物的稳定抓取。     

6 自由度 3-PRPS 并联机器人奇异位形分析

针对具有 3 个对称支链的 3-PRPS 6 自由度并联机器人的奇异性进行了分析(P-,R-,S-分别表示移动副、转动副以及球面副). 每个支链有 4 个关节, 这 4 个关节分别由 PRPS 表示. 这种基于 Stewart 平台基础上设计出来的并联机器人结构, 由于应用领域和结构的特殊性, 采用常规的几何学分析较为复杂. 本文采用螺旋理论和线几何方法对结构奇异以及配置奇异进行分析, 从而得到运动奇异位形产生所满足的条件, 并给出 3-PRPS 并联机器人奇异位形图解说明了该方法的可行性.     

3-RRC并联柔性机器人的动力学分析

基于Bernoulli-Euler梁理论、有限元原理、KED方法和Lagrange方程,建立了3-RRC并联柔性机器人的弹性动力学方程.在此基础上,利用Newmark积分方法对其动力学方程进行了求解,分析了3-RRC并联柔性机器人的动力学响应和驱动杆件最大动应力的变化规律.这些内容,对进一步研究3-RRC并联柔性机器人的动态特性、动力学优化设计、系统仿真和控制都具有重要的指导意义.     

一类桥式直接耦合柔性机构的刚度与应力分析

分析了一类桥式直接耦合柔性机构的精确的刚度和应力模型.分别采用伪刚体模型和卡氏第二定理推导了该柔性机构理论刚度模型,利用两个理论模型与有限元模型的结果进行对比,并采用正交实验法全面分析了柔性铰链的寄生刚度和旋转刚度的精度对其刚度性能的影响.研究结果表明：该柔性机构的寄生刚度影响较小,误差贡献率小于3%;旋转刚度的精度影响较大,通过选择精确的旋转刚度公式可以得到精确的理论刚度模型,同有限元结果相比其误差在t/r〈0.65范围内小于8%;与设计实验及其对应的有限元结果的误差分别为4%和3.96%,验证了刚度模型的正确性.基于刚度模型推导了该柔性机构的应力模型,运用正交实验法与有限元结果进行对比,误差小于4%,验证了应力模型的正确性.     

精密小型Hexapod并联机器人标定实验及精度分析

为了提高精密小型Hexapod并联机器人的运行精度,对机器人进行了标定实验及精度分析.推导了Hexapod机器人结构参数的误差模型、设计了标定步骤和算法,并在三坐标测量机上对机器人进行标定实验;从机构角度对Hexapod机器人的间隙误差来源进行了分析,并推导了间隙误差对机器人位姿误差的映射关系数学模型;推导并分析了计算过程中最小二乘误差、牛顿-拉普森迭代误差的数学模型,分析了机器人结构参数的辨识精度.标定实验结果表明：经过误差补偿,机器人位姿坐标的最大位移误差由0.267 6 mm降为0.010 5 mm;最大转角误差由0.006 8 rad降为0.001 1 rad.Hexapod机器人标定及精度分析方法对于开发精密型并联机器人具有参考价值.     

3UPS+1RPU非对称并联机构的刚度与模态分析

目的针对自动化包装过程中需要搬运重物和高工作精度的特殊应用要求,运用有限元法对3UPS+1RPU并联机构进行刚度与模态分析,找出机构刚度的薄弱环节和共振频率。方法首先运用Solid Works建立三维实体模型,然后导入到Ansys Workbench软件进行有限元分析。结果通过静力学分析,得到了机构在某一工作位置时,2种不同受力情况下机构整体的变形云图、应力云图。然后进行模态分析,得出3UPS+1RPU并联机构一到六阶固有频率分别为34.5,35.8,50.1,523.9,526.7,528.8 Hz,以及各阶频率下的振型。结论找到了机构刚度的薄弱部位,并证明了机构的静刚度满足设计要求;找出了机构运动过程中易发生共振的位置,从而可有效避免或抑制机构运动工程中的共振现象。     

3-UPU柔顺并联机构构型拓扑优化设计与实验测试

目的为了设计出具有x,y和z方向纯平动的微纳级精密定位装置。方法首先,运用旋量与逆螺旋理验证所设计的传统3-UPU并联机构运动特性;采用封闭矢量映射原理构建3-UPU并联机构的微分Jacobian,实现各关节与动平台的空间映射关系。然后,定义优化问题的目标函数为结构刚度,约束函数为体积比,运动特性条件为微分Jacobian构造3-UPU柔顺并联机构的SIMP模型,并运用优化算法计算。最后,基于Ossmooth对优化构型进行CAD模型的提取,完成运动特性的力学仿真分析,此外,通过3D打印制造处理后的CAD模型,并完成运动特性的实验测试。结果仿真可得,优化后的构型柔度值从58.324 mm/N下降到25.993 mm/N;一阶固有频率从964.64 Hz提高到1362.26 Hz;沿x,y和z方向的微运动特性分别达到2.488,6.512,9.185μm;3-UPU柔顺并联机构优化构型的微运动特性与理论解处于同一微米级,并运用实验测试进行了验证。结论拓扑优化设计的构型具有微米级运动特性和微米定位精度,实验测试结果验证了该优化技术的可行性。