3-RPC型柔顺并联机构结构设计

针对目前并联机构精度低,无法满足高精度要求的现状,提出对传统并联机构进行优化设计。首先,以传统并联机构构型3-RPC为基础建立微分运动矢量映射关系Jacobian矩阵。建立空间3-RPC柔顺并联机构的拓扑优化SIMP模型并运用OC算法求解,将实体模型导入有限元软件中进行拓扑优化设计。其次,在Ossmouth中对优化好的构型进行过滤及光顺处理并导出进行二次建模。最后,运用曲线拟合方法对拓扑后的构型轮廓进行拟合修正,采用Solid Works软件建立其拟合修正后的模型,进而通过Hyper Works有限元软件对机构进行静力学分析。仿真结果表明:与同构型的传统并联机构相比,拓扑优化后的空间柔顺并联机构具有相同的微动特性,因而验证了空间并联机构的拓扑优化设计方法的有效性。     

3-RPC型柔顺并联机构结构设计

针对目前并联机构精度低,无法满足高精度要求的现状,提出对传统并联机构进行优化设计。首先,以传统并联机构构型3-RPC为基础建立微分运动矢量映射关系Jacobian矩阵。建立空间3-RPC柔顺并联机构的拓扑优化SIMP模型并运用OC算法求解,将实体模型导入有限元软件中进行拓扑优化设计。其次,在Ossmouth中对优化好的构型进行过滤及光顺处理并导出进行二次建模。最后,运用曲线拟合方法对拓扑后的构型轮廓进行拟合修正,采用Solid Works软件建立其拟合修正后的模型,进而通过Hyper Works有限元软件对机构进行静力学分析。仿真结果表明:与同构型的传统并联机构相比,拓扑优化后的空间柔顺并联机构具有相同的微动特性,因而验证了空间并联机构的拓扑优化设计方法的有效性。     

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。     

平面3-RPR全柔顺并联机构的构型拓扑优化设计

基于并联机构的微分运动学输入与输出之间位移矢量微分映射关系,通过建立平面3-RPR型全柔顺并联机构的拓扑优化模型(SIMP插值模型),运用优化准则法(OC算法)进行优化求解,并采用Heaviside过滤技术对棋盘格现象进行抑制和处理。结合二次插值法对拓扑优化后得到的模型进行曲线拟合,并在Solid Works中三维建模,将模型导入Hyperworks中二次网格划分并进行静力学分析与对比,结果表明:基于映射关系所得出的拓扑优化构型与传统并联机构构型具有相同的运动特性,结构更加简洁、轻便,该方法为此类平面全柔顺并联机构构型综合方面提供理论参考依据。     

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3-RRR型微创机构构型优化

针对目前医疗技术对微创机器人精度要求的不断提高,而传统的并联机构无法满足高精度要求的现状,提出对传统并联机构进行优化设计。建立平面3-RRR并联机构微动情况下输入与输出之间的位移矢量微分映射关系,根据材料插值拓扑优化方法建立平面3-RRR型全柔顺并联机构的SIMP插值模型,通过敏度分析确定优化过程中设计变量的迭代变化方向,用OC算法求解所建立的模型,用Heaviside过滤技术解决棋盘格和网格依赖问题,通过Solidworks曲线拟合得到三维模型,应用有限元分析软件Hyperworks对其进行静力学分析,通过加工得到实体模型,并进行多次微位移测量试验;将静力学分析数据、实验数据与理论值对比。结果表明:微分映射关系作为优化条件,拓扑优化所得到的全柔顺并联机构与同构型的传统并联机构微分运用特性相同,运动精度更高、结构更加简单,验证了该方法的有效性,为平面全柔顺并联机构的优化设计提供了新思路。     

整体式平面两自由度全柔顺并联机构构型拓扑优化设计

基于平面两自由度并联机构微分运动学矢量连续映射关系,建立整体式平面两自由度全柔顺并联机构构型拓扑优化模型-各向同性材料插值模型(SIMP模型),运用优化准则(OC)算法对所建模型进行求解,并采用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对其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,所得出的平面两自由度全柔顺并联机构与传统同构型并联机构具有相同的微分运动特性。     

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。     

三平移全柔性并联机构多目标拓扑优化设计

为满足精密定位和微纳制造领域对全柔性并联机构构型设计的需求,基于三平移并联机构原型,采用多目标拓扑优化理论,得到了一种结构配置较佳的新型全柔性并联机构。首先,基于单目标的柔度优化模型和固有频率优化模型,运用线性加权法建立了机构的多目标拓扑优化模型。然后,基于HyperWorks/OptiStruct软件和优化准则算法对机构进行拓扑优化设计,得到了拓扑优化后的新型全柔性并联机构。最后,通过HyperMesh软件对拓扑优化前后的机构进行静力学分析和模态分析,从而验证了多目标拓扑优化设计的有效性。     

3-RPC定位机构结构设计

集成式全柔性并联定位机构具有无摩擦和高稳定性的优点,但其结构设计相对复杂,定位精度低,在一些超精密定位领域无法达到定位要求。基于同构性的集成式全柔性并联定位机构,引入拓扑优化设计理论,设计出与同构性集成式全柔性并联定位机构运动特性一致的3-RPC型全柔顺并联定位机构。首先,以3-RPC并联定位机构为研究对象,通过微位移法求解出其输入输出间的映射关系。然后,建立3-RPC集成式全柔性并联定位机构和3-RPC全柔顺并联定位机构三维模型。最后,通过有限元软件对两种定位机构进行静、动力学分析。结果表明:3-RPC全柔顺并联定位机构在定位精度和抗振性均优于同构性的集成式全柔性并联定位机构。     

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。     

3-PUU并联机构工作空间分析与优化设计

提出一种新型3-PUU并联机构,对该并联机构进行运动学分析,得到了3-PUU并联机构的运动学反解,在此基础上,分析了移动副和虎克铰对工作空间的限制。采用三维极限搜索法求解了工作空间。对该并联机构的工作空间进行了优化分析,为并联机构的构型设计和进一步研究奠定了基础。研究结果表明,该种机构具有较好的实际应用前景。     

基于结构降耦和运动解耦的并联机构拓扑结构优化及其性能改善

并联机构的拓扑结构包含各支链本身的拓扑结构以及各支链相对于动/静平台布置的拓扑结构两个层面,后者对并联机构的结构、运动、动力学性能有重要影响,但研究相对较少。阐述机构结构降耦原理及其降耦设计方法,同时,提出一种基于Pro/E-ADAMS仿真运动曲线的机构运动解耦性判断方法,而无须求解机构的输入-输出位置方程。以两平移一转动3-RRR、三平移3-R//R//C并联机构为例,不改变其支链本身的拓扑结构,仅改变其在动/静平台之间的拓扑结构,设计出相应的结构降耦构型和运动解耦构型：两平移一转动机构的耦合度从k=1降为k=0,从而极易求得位置正解解析式;而原先不具有运动解耦性的三平移机构具有了部分运动解耦性,因而运动规划和控制变得容易。对一种3-R//R//C解耦构型的位置正解、运动解耦性、奇异位形、工作空间、灵巧度性能进行计算分析,发现其性能明显优于优化前的原始构型。研究成果为并联机构的拓扑结构优化及其性能改善,以及揭示两者之间的关系提供了一种有效方法。     

考虑疲劳性能的柔顺机构拓扑优化设计

柔顺机构需要承受多次往复运动,交变应力导致机构容易发生疲劳损伤及失效.为了满足疲劳性能要求,提出一种考虑疲劳性能的柔顺机构拓扑优化设计方法.考虑恒定振幅的比例载荷作用,采用修正的Goodman疲劳准则评定柔顺机构的疲劳强度,以柔顺机构的输出位移最大化为目标函数,以疲劳性能和结构体积作为约束,采用改进的P范数方法进行疲劳约束凝聚,建立基于疲劳性能约束的柔顺机构拓扑优化模型,利用映射过滤方法避免数值不稳定性现象,采用移动渐近优化算法求解柔顺机构疲劳约束拓扑优化的多约束优化问题.数值算例结果表明基于疲劳约束拓扑优化获得的柔顺机构能够满足疲劳要求,机构的von Mises等效应力分布更加均匀;并且分析不同的作用载荷条件对柔顺机构构型及其性能的影响规律.     

平面两自由度全柔顺微运动并联机构的拓扑优化设计

首先分析了平面两自由度全柔顺并联机构的微运动学;然后在此基础上建立该机构的拓扑优化模型,运用OC算法对所建立的模型进行求解;最后运用有限元软件对所建立的三维模型进行仿真。得出通过拓扑优化得到的平面两自由度全柔顺并联机构可实现x和y两个方向的微运动,且与同构型的传统并联机构运动相似,验证了该方法的有效性。     

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。     

含有Heaviside密度映射的构型平稳变化的柔性机构拓扑优化设计

现有柔性机构拓扑优化方法在解决柔性机构拓扑优化的类铰链和灰度问题仍存在一些困难。为获得清晰和不含类铰链的优化拓扑,提出了一种构型平稳变化的结构拓扑优化求解方法。首先,构建了一种能综合表征柔性机构输入和输出端的局部刚度特性的加权组合柔顺度函数;而后,引入加权组合柔顺度的小量变化约束、Heaviside密度映射和变约束限方案,建立了柔性机构构型平稳变化的优化模型;最后结合MMA算法,形成了一种构型平稳变化的柔性机构拓扑优化方法。给出的算例结果表明,相比于现有方法,该方法计算公式简单,可获得清晰且无类铰链的拓扑构型。     

基于Isight平台DOE方法的并联机构多目标优化设计

以提高并联机构的整体性能为目的。以3-PUU并联机构为例,首先根据虚设机构法建立影响系数矩阵,包括雅可比矩阵和海塞矩阵,并通过Adams虚拟建模仿真验证影响系数矩阵的正确性,然后综合考虑工作空间、速度、加速度、惯性力等方面的需求建立并联机构的性能指标,根据性能指标多目标优化设计模型,最后基于Isight软件集成MATLAB,采用最优拉丁超立方法进行试验设计,通过NSGA-II算法进行多目标优化设计。优化结果表明,基于Isight的多目标优化设计方法不仅高效而且可以得到Pareto解集,决策者可以根据并联机构的具体服役环境权衡选择整体性能最优解。     

全域恒平衡并联机构构型设计与平衡特性分析

提出一类全域恒平衡并联机构构型,该机构由内外双层并联机构组成,其中内层平衡机构具有雅可比矩阵恒定的特性,在工作空间任意位姿下无须实时控制输入力的大小和方向即可提供恒定的平衡力。利用虚设机构法和影响系数法建立这类机构的动力学模型,以3-PUU/3-PRRR机构为例,分析验证了3-PRRR平衡机构相比与配重法所具有的优势。3-PUU/3-PRRR并联机构能够在整个工作空间,即全域内的任意位姿下实现恒定的平衡特性,论证了提出的这类全域恒平衡并联机构具有优良的平衡特性。     

基于等几何分析的电热驱动柔顺机构拓扑优化设计

为了提高计算效率,提出一种基于等几何分析(Isogeometricanalysis, IGA)的电热驱动柔顺机构拓扑优化设计方法。采用NURBS曲线表达几何模型和分析模型,利用改进的固体各向同性材料惩罚法和密度分布函数描述材料分布,采用顺序耦合方法进行电-热-结构多物理场耦合有限元分析,以电热驱动柔顺机构的输出位移最大化为目标函数,以机构的体积为约束,建立基于等几何分析的电热驱动柔顺机构拓扑优化数学模型,利用移动渐近线算法求解拓扑优化问题。数值算例验证了提出的设计方法的有效性。与基于有限元分析的优化结果相比,基于等几何分析获得的电热驱动柔顺机构拓扑构型有所不同,边界更加光滑,机构的输出位移更大;并且等几何分析能够有效地减少迭代步数,显著地提高了计算效率。分析不同的输出刚度对电热驱动柔顺机构拓扑构型和机构性能的影响规律。