平面柔顺机构的自由度

柔顺机构是一类借助其柔性元素自身的弹性变形来传递运动、力或能量的装置。由于引入了柔性元素,柔顺机构中构件和运动副常常无法严格区分,导致其自由度概念有别于刚体机构的自由度,甚至带有一定的模糊性。在总结柔顺机构的结构和运动特点的基础上,分析确定机构自由度应遵循的基本准则,并给出可用于全面描述柔顺机构的两种自由度的定义(刚性自由度和柔性自由度)和相关推论。通过几种典型柔性元的伪刚体建模的讨论以及相关设计实例的分析,给出一种行之有效的平面柔顺机构自由度的计算方法。     

柔顺机构中大变形柔性梁的2自由度伪刚体模型

针对柔顺机构中的大变形柔性梁,提出了一种新的伪刚体模型,即"两自由度伪刚体模型"。通过对模型末端倾角的进行参数化近似得出了模型最优特征半径系数,然后应用线性回归方法得到了模型的刚度系数。该模型能精确模拟柔顺机构中大变形柔性梁的变形轨迹和变形角度。最后通过末端轨迹的对比说明了该模型的优越性。     

一种柔顺并联自适应机构的工作特性分析

基于柔顺并联机构的组成原理,设计构造了一种简易实用的柔顺并联自适应机构,通过该机构的伪刚体模型,推导出机构的活动自由度、耦合度以及逆向解析解,仿真分析了执行工作面在定位置下各弹簧长度变化规律和自适应运动条件下的可达工作空间,同时建立了机构的虚拟样机模型。本文的研究为柔顺并联自适应机构的工业应用提供了理论参考。     

基于附加弹簧双滑块四杆机构的柔顺恒力机构设计

给出一种基于伪刚体模型的柔顺夹持器设计方法。基于附加弹簧双滑块四杆机构构造了一种具有恒力特性的柔顺夹持机构。建立了机构位置分析模型,利用虚功原理构建运动静力学方程,分析弹簧刚度对机构输出特性的影响,获得了具有一种恒力特性的柔顺夹持机构设计方法。基于伪刚体模型,将附加弹簧以柔性模块替代,得到一种新型柔顺恒力机构。利用有限元分析软件验证该机构理论模型建立柔顺恒力机构的可行性;构造了一种具有对称结构形式的新型柔顺恒力夹持器。该柔顺恒力夹持器的设计方法也可应用于其他类型附加弹簧机构的非线性刚度特性柔顺机构设计。     

压电驱动三自由度柔顺精密定位平台研究

设计了一种由压电陶瓷驱动的整体式平面3-PRR柔顺并联定位平台,平台每条支链采用半圆型柔性转动铰链和直角型柔性直线铰链代替传统的转动副和移动副,消除了传统机构的铰链配合间隙和摩擦,通过Ansys软件对两种铰链进行了刚度分析,并在支链的输入端设计了柔性杠杆位移放大机构以提高平台的工作空间。基于“伪刚体模型法”建立了柔顺定位平台的运动学模型,采用Ansys软件对柔顺并联平台进行有限元分析,得到其静力学特性,最后搭建了平台测试实验系统进行了验证实验。通过运动学模型解析结果和有限元仿真结果与实验结果对比,得到在x方向、y方向和转动角φp的最大误差分别为10.81%,9.66%和9.79%,验证了运动学理论模型建模方法的可行性。     

转动轴线共面型3-RPS并联机构运动特性分析

通过对刚体运动螺旋和约束反螺旋的研究,给出了利用约束反螺旋求解运动支链或机构末端运动特性的分析方法,这种方法具有通用性。利用这种方法分析了RPS运动支链在运动副所有不同布置方式下的末端运动特性,求解了具有不同运动支链布置形式的三种转动副轴线共面型3-RPS并联机构的末端运动特性。说明了3-RPS并联机构并非一般认为的两个转动自由度和一个移动自由度,支链中运动副的相对位置不同或者支链的布置方式不同,则机构末端运动特性也不同。     

模拟固定-导向柔顺梁的PRR伪刚体模型的动力学分析

基于PRR伪刚体模型,建立了末端受复合载荷作用下固定-导向柔顺梁的PRR伪刚体动力学模型。以柔顺机构中柔顺杆为研究对象,通过分析其动能和势能,应用拉格朗日方程推导出了该模型的动力学方程,并从方程特征和响应曲线等方面分析了模型各项动力学特性。分析结果表明,PRR伪刚体动力学模型可以更加真实地反映出固定-导向柔顺梁在变形过程中的各项动力学特性,更加适用于柔顺机构的动力学分析与设计。     

基于2R伪刚体模型的柔顺机构动力学建模及特性分析

柔顺机构是利用机构中柔性构件的自身变形来实现运动、力和能量的传递和转换的一种新型机构,是机构学研究领域的前沿课题之一。以柔顺机构中的柔顺杆为研究对象,基于2R伪刚体模型(Pseudo-rigid-body model,PRBM)提出末端受不同载荷形式(力矩或垂直力)作用下的动力学新模型,分析其动能和变形能,应用拉格朗日方程推导其动力学方程。通过与1R伪刚体动力学模型(Pseudo-rigid-body dynamic model,PRBDM)对比,从方程特征、响应曲线等方面分析各动力学模型的特点,从而展示基于2R伪刚体模型的动力学模型优越性,并以平行导向柔顺机构为例验证了模型的有效性。分析结果表明,基于2R伪刚体模型的动力学模型不仅可以反映柔顺杆整体大范围变形状况,而且描述出杆件内部局部变形状况,可以更真实地体现柔顺机构的动力学特性,更加适合于柔顺机构的动力学分析与设计。*     

4-URU柔性并联机构构型设计及支链刚度分析

针对4-URU型柔性并联机构,提出了一种对支链刚度的新型求解方法,应用软件仿真结果验证该方法的有效性.首先,利用螺旋理论对4-URU刚性并联机构进行自由度分析,采用柔性铰链替换法设计相应的柔性并联机构.基于柔性铰链刚度矩阵,利用转换矩阵法求得支链的铰链刚度矩阵,利用有限元理论分别求得支链各柔性杆刚度,通过线性叠加求得支...     

柔顺机构PRR伪刚体模型的研究

在已有伪刚体模型的基础上,将柔顺机构里大变形柔顺杆的轴向变形和横向变形的影响都考虑进去,增加伪刚体模型的自由度,提出一种具有两个转动副和一个移动副的多自由度伪刚体模型。该模型将4个不同长度的刚性杆件用一个拉压弹簧和两个不同刚度系数的扭转弹簧依次连接,进而建立柔顺机构中大变形柔顺杆的PRR伪刚体模型。模型的参数运用二维搜索和线性回归法求得。通过数值分析计算,将该伪刚体模型与1R、和PR伪刚体模型以及柔顺杆的末端轨迹进行分析对比,验证了PRR伪刚体模型能够更加精确地反映柔顺杆末端轨迹的变形特征。     

六自由度柔性精密传动与定位平台的静态特性分析

基于柔顺机构学、机械原理和空间机构学,设计了由压电陶瓷驱动器驱动的六自由度柔性精密定位平台。利用伪刚体法和虚功原理对平台进行静力学分析,得到了沿X、Y、Z轴移动,绕X、Y轴摆动和绕Z轴转动6个自由度的静态刚度及运动特性,利用APDL对定位平台的结构进行优化,得到了平台6个方向运动的最大行程。对定位平台进行有限元仿真,并通过搭建的实验平台进行测试,将实验结果与理论结果和仿真结果进行对比分析,验证了理论模型的正确性及平台结构的合理性。     

平面3-PRR并联机构刚柔耦合动力学研究

在并联机构的动力学研究领域中,传统的多体系统研究主要集中在多刚体领域,对于构件弹性变形对系统产生的影响多进行忽略,这种分析所得结果很难保证机构的运动精度要求。基于多体动力学理论,对可应用于微纳操作领域的3-PRR平面并联机构的刚柔耦合系统进行了研究,分析柔性从动杆对于机构刚体运动的刚柔耦合特性的影响,利用Euler-Bernoulli梁理论,采用假设模态法对机构支链上从动杆的柔性变形进行分析,并利用Lagrange乘子法推导出机构刚柔耦合系统的动力学方程。这种分析方法不但满足机构较高的精度要求,也满足工程中各种问题求解的要求。同时结合实例运用MATLAB仿真计算,直观真实地反映柔性从动杆与刚性构件的动力学特性,验证了所建模型的有效性。     

3-RPRR类平面全柔性并联机构设计及分析

全柔性并联机构具有空间多自由度运动特性,但其结构尺寸往往不能满足微纳精密加工与制造领域的需求,具有明显的局限性。基于同构型全柔性并联机构,以几何约束为条件,设计出具有与同构型全柔性并联机构空间运动特性一致的3-RPRR类平面全柔性并联机构。建立3-RPRR全柔性并联机构和3-RPRR类平面全柔性机构三维模型。采用Hyperworks软件对两种机构整体进行有限元分析,并结合虚功原理推导出两种全柔性构型的静刚度模型。最后对两种机构进行模态分析。研究结果表明,3-RPRR类平面全柔性并联机构在刚度、抗干扰性以及抗振性方面均优于其同构型的全柔性并联机构。     

末端加载力矩的初始弯曲柔性梁1R伪刚体模型

把初始弯曲柔性梁考虑成末端加载一定力矩Mi的直梁,根据Bernoulli-Euler方程等从理论上推导出初始弯曲柔性梁末端轨迹和转角。结合实例给出理论计算结果,并和ANSYS软件仿真的结果进行对比,来验证理论模型的正确性。其次,基于末端受力矩载荷直梁的1R伪刚体模型,首次推导了末端受力矩的初始弯曲柔性梁的1R伪刚体模型,并和理论结果进行对比,来验证该模型的可行性。最后,针对该模型的不足,建立了1R伪刚体模型修正模型,并与理论结果等进行对比,验证其可行性,为研究含有初始弯曲柔性梁的柔顺机构打下基础。     

3自由度精密定位平台的运动特性和优化设计

为了实现3-RRR柔顺并联精密定位平台的精确运动,研究了它的封闭形式精确运动模型和尺寸优化设计。采用卡氏第二定理建立精密定位平台的封闭式柔度模型。根据柔顺并联机构的结构特点,将其划分为3个对称分布的运动支链,并结合铰链的柔度模型和机构力传递关系分别推导出各个支链的刚度模型,整个系统的刚度为所有支链在同一坐标系下的刚度的叠加。建立的刚度模型是以柔性铰链的柔度为变量的封闭形式模型。根据柔度矩阵可得到反映输入位移和输出位移之间关系的雅可比矩阵。理论模型与有限元分析的比较结果显示,两者所得的运动模型误差为1.0%～9.5%,证明了所推导运动模型的正确性和精确性。根据雅可比矩阵的封闭公式,分析其对结构参数的灵敏度,并由此选出对平台运动特性影响较大的优化设计变量。提出以最大化平台工作空间为目标,以铰链强度、最大输入力、几何尺寸和输入耦合为约束的优化模型。结果表明,优化后的结构参数能获得更大的输出位移,说明该方案能满足优化设计要求。     

末端加载力的初始弯曲柔性梁3R伪刚体模型

基于Bernoulli-Euler方程从理论上推导了末端加载力的初始弯曲柔性梁末端轨迹和转角.结合实例给出理论计算结果,并和ANSYS软件仿真的结果进行对比,来验证理论模型的正确性.基于直梁3R伪刚体模型建立了末端受力作用的初始弯曲柔性梁的3R伪刚体模型.理论结算结果与初始弯曲柔性梁的3R伪刚体模型、1R伪刚体模型的轨迹结果等进行对比,并给出相对误差,来验证这两种伪刚体模型是否可以有效地模拟初始弯曲柔性梁的末端轨迹和转角以及3R伪刚体模型的优越性,为初始弯曲柔性梁在柔顺机构等中的应用打下了坚实的基础.     

3SPS+1PS四自由度并联仿生平台运动学分析

针对3SPS+1PS对称型并联仿生平台,利用螺旋理论对其进行自由度分析得出该机构具有三转一平4个自由度,当平动自由度固定时可用于模拟人体髋关节的三维运动。基于四元数法建立了机构位姿运动方程。以四元数描述机构运动特性,避免了欧拉角描述刚体位姿存在的奇异问题。将髋关节运动曲线作为机构输出运动,基于逆运动学模型仿真出各驱动支链位移变化曲线为平滑曲线,说明该机构在模拟髋关节运动时其驱动支链易于控制。     

基于拓扑优化的3-RPRR类平面全柔性并联机构构型优选

全柔性并联机构的构型参数是影响其刚度和定位精度的重要性能指数。基于同构型全柔性并联原型机构,以几何约束为条件,设计出了3-RPRR类平面全柔性支链。基于构型优选的思想进行拓扑优化,设计出另一结构形式的类平面全柔性支链,进而分别对两种不同支链组成形式的3-RPRR类平面全柔性并联机构进行静力学及模态分析。仿真结果表明:在实现相同运动特性的前提下,方案二全柔性支链构成的3-RPRR类平面全柔性并联机构不仅节省材料,且在刚度和抗振性上更优。     

基于3R伪刚体模型的柔顺杆动力学建模及分析

介绍了柔顺机构中的3R伪刚体模型。利用Matlab软件的符号运算推导出了该模型柔顺杆的动能和变形能方程。应用拉格朗日方程建立了柔顺杆末端载荷作用下的动力学模型。特征半径系数和刚度系数代入方程组获得向心力、惯性力矩、科氏惯性力矩等系数,并分析了其相互耦合对伪刚体角变量的影响。通过数值求解二阶变系数微分方程组获得动态响应曲线和位形图,曲线反映出伪刚体杆从1杆到3杆振幅逐渐增大、杆件的耦合降低的振荡情况,较2R伪刚体模型的动力学方程模拟柔顺杆动力特性更具实用性和通用性。     

全柔性并联机器人支链静刚度矩阵的建立

设计了一种新型非对称全柔性3-RRRP平移微动并联机器人机构。在柔性铰链静刚度矩阵及柔性移动副静刚度矩阵的基础上,先建立该微动机器人机构单个支链的一般模型,利用坐标矩阵变换（D—H矩阵变换）的方法,推导出一般支链静刚度矩阵求解的理论过程,进而求得该支链端部的静刚度矩阵。最后,通过理论计算-简单模型,并用ANSYS对理论计算结果进行模拟。模拟结果显示,理论计算的静刚度矩阵与模拟结果很相近,说明一般支链静刚度矩阵理论推导过程具有一定的准确性。