含关节间隙的3-CPaRR解耦并联机构弹性动力学建模与分析

为研究关节间隙对柔性化条件下并联机构输出运动特性的影响,以3-CPaRR并联机构为研究对象。首先,根据该并联机构的空间位置关系,研究了该并联机构的运动学规律,表明该并联机构驱动圆柱副可等效分解为驱动移动副和被动转动副;其次,基于空间位置矢量模型,建立了含间隙转动关节径向和轴向的运动学模型,从而进一步建立各支链转动关节处含间隙的运动学模型;然后,基于Lankarani-Nikravesh接触力模型和Coulomb摩擦力模型建立各支链转动副处存在关节间隙时的法向、切向力学模型,并将各被动关节处由于间隙的存在而产生的力向驱动关节处进行转化,从而建立了含关节间隙的3-CPaRR并联机构弹性动力学模型,最后通过实例分析了不同的关节间隙对该并联机构运动特性的影响。结果表明:含有关节间隙的柔性支链对并联机构的输出运动特性产生了重要的影响,同时该研究也为其他的含关节间隙的多体系统弹性动力学建模提供了理论基础。     

含关节间隙的3-CP_aRR并联机构的运动学和动力学分析

为研究关节间隙对并联机构动态特性的影响,以3-CP_aRR并联机构为研究对象。基于该并联机构的运动学约束,研究了该并联机构的运动学规律,表明该并联机构驱动圆柱副可等效分解为驱动移动副和被动转动副;利用正态分布概率统计模型建立了含间隙转动关节径向和轴向的运动学模型,进而建立了含关节间隙的支链运动学模型;根据关节元素间接触运动学模型,基于Flores接触力模型和修正的Coulomb摩擦模型分别建立了转动关节的法向接触力和切向接触力模型,并基于非完整系统的Lagrange方程法建立了含关节间隙并联机构的动力学模型;通过实例计算详细分析了转动关节间隙对并联机构运动学特性和动态响应的影响;此外,通过与标准正态分布模型参数μ对比,分析了定义关节元素初始接触时的间隙量为μ值时的物理意义。该研究可为其他含关节间隙多体系统的研究提供新的研究方法和理论基础。     

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。     

一种含间隙解耦并联机构动力学分析与混沌现象辨识

以自主提出的一种两转动解耦并联机构为研究对象,阐述机构结构组成,并针对其运动副存在间隙状况,建立含间隙机构动力学模型;基于ADAMS软件进行动力学仿真,并分析在有无运动副间隙、不同间隙和驱动速度下,机构位移、速度、加速度以及运动副接触力的变化;借助Poincare截面映射法对解耦并联机构动力学行为中的混沌现象予以辨识,绘制Poincare映射图,揭示间隙对机构动力学特性的影响。研究结果表明含间隙解耦并联机构存在混沌运动现象,对其更进一步的非线性动力学研究有一定指导意义。     

I4R并联机器人机构的位置解析和奇异性分析

分析了I4R并联机器人机构的结构组成特点,根据其支链的杆长约束建立了机器人机构的运动参数方程,并推导出封闭形式的位置逆解和正解.其次,基于支链和动平台的力平衡关系得到了机器人机构的力雅克比矩阵,并采用线几何方法对机器人机构的位形奇异性进行了分析,提出了机器人机构支链奇异、平台奇异和主动副运动奇异的判别条件.最后,列举了机器人机构发生支链奇异、动平台奇异和主动副运动奇异的位形示例.研究结果有助于14R机构的参数设计、路径规划及运动控制.     

14R并联机器人机构的位置解析和奇异性分析

分析了14R并联机器人机构的结构组成特点,根据其支链的杆长约束建立了机器人机构的运动参数方程,并推导出封闭形式的位置逆解和正解。其次,基于支链和动平台的力平衡关系得到了机器人机构的力雅克比矩阵,并采用线几何方法对机器人机构的位形奇异性进行了分析,提出了机器人机构支链奇异、平台奇异和主动副运动奇异的判别条件。最后,列举了机器人机构发生支链奇异、动平台奇异和主动副运动奇异的位形示例。研究结果有助于14R机构的参数设计、路径规划及运动控制。     

含间隙RU-RPR解耦并联机构混沌与冲击现象

针对含间隙机构中的混沌与冲击现象,以自主提出的RU-RPR(R为转动副,U为虎克铰,P为移动副)两转动解耦并联机构为研究对象,考虑运动副间隙,结合Lankarani-Nikravesh接触力模型与拉格朗日方程建立间隙机构动力学模型,分析不同的驱动速度和摩擦因数对机构中混沌现象与冲击的影响,同时探讨机构的稳定性与冲击现象的关系,并分析增设弹簧对机构动力学特性的影响。研究结果表明,改变驱动速度与摩擦因数时,冲击现象仍然存在,而机构可以由混沌运动变为周期运动,稳定性增强;机构的稳定性与冲击现象并没有必然的联系,且增加弹簧可以显著的减弱机构中的冲击程度。     

四自由度全柔顺并联机构刚度分析

利用动力学方程求出4 CRU型全柔顺并联机构支链的刚度,并用ANSYS软件仿真结果验证此种方法的正确性,为求全柔顺并联机构整体刚度提供了依据;本文基于4 CRU并联机构的运动特性,采用传统柔性并联机构的构成方式设计了具有全柔顺特性的新型4 CRU的全柔顺并联机构;利用动力学方程对全柔顺支链刚度进行计算;采用ANSYS软件建立4 CRU型全柔顺机构支链模型,并对其刚度进行仿真实验对比研究;仿真结果与计算结果基本上一致,验证了分析方法的正确性.     

基于同向滑杆支链并联机构的工作空间分析

目的 快递行业每天都需要耗费人工对中型件进行分拣、包装,而中型件需要并联机构有更大的工作空间,相较于旋转驱动,直线型驱动并联机构的工作空间更大,针对上述问题提出一种同向滑杆支链的3-PUPU并联机构.方法 以同向滑杆支链的3-PUPU并联机构为研究对象,首先根据并联机构的几何关系和运动学模型,利用矢量法建立并联机构的运动学求解方程;其次,对影响及约束同向滑杆支链的3-PUPU并联机构工作空间的运动副及运动支链约束条件进行分析;最后,采用三维边界搜索法通过并联机构的运动学方程对同向滑杆支链的3-PUPU并联机构的工作空间进行分析,并以工作空间的体积为目标,研究并联机构的万向铰运动转角及同向滑杆支链对工作空间的影响.结果 研究表明,该并联机构的工作空间具有对称性、内部无明显空洞、截面形状规整;同时,运动副约束与工作空间体积的影响曲线表明同向滑杆支链的移动距离对工作空间的体积影响最大.结论 通过添加可控程序以更大的工作空间来实现同向滑杆支链的3-PUPU并联机构对中型件分拣、包装,为该机构后续的理论研究和实际应用提供了可靠依据.     

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.     

含2个S副间隙6-SPS机构奇异性分析

6-SPS机构位姿矩阵采用四元数法描述,并将该矩阵和矢量坐标扩展为4维形式,推导出无间隙机构的运动方程,得到了机构运动的新型雅克比矩阵J_A和J_B;在此基础上,利用连续接触模型得到了两个含间隙S副共连杆和异杆时机构的运动系数矩阵。分别把各个运动系数的行列式展开,得到含间隙机构第一类奇异和第二类奇异的轨迹方程,利用MATLAB得到了机构在给定位置时的第一类位姿奇异轨迹和第二类位姿奇异三维轨迹曲面;通过将两类含间隙机构奇异轨迹曲面的比较,发现机构间隙对第二类奇异的影响大于对第一类奇异的影响;在两类奇异轨迹中,当S副异杆时,机构间隙的影响均大于S副共连杆时的影响。以无间隙机构奇异轨迹曲面上奇异点作为参考点,通过含间隙机构奇异轨迹曲面上与参考点相对应奇异点的相互比较,发现存在一个关于参考点的奇异域。     

考虑关节间隙的多维隔振系统振动特性分析

为隔离车载精密仪器承受的多维振动,引入基于并联机构且考虑机构关节间隙的多维被动隔振系统。通过GF集（Generalized Function Set）型综合理论,得到一种具有三平移一转动运动特性的4-PUU （移动副-虎克副-虎克副）并联机构,在主动关节处添加弹簧和黏滞阻尼器,建立考虑关节间隙的多维隔振系统运动学和动力学方程,研究存在关节间隙的多维隔振系统在谐波、随机路面激励下的时域、频域隔振能力。研究结果表明：存在关节间隙的多维隔振系统能够实现多维振动在时域和频域中的有效衰减;随着关节间隙数值逐渐增大,隔振能力沿x轴方向变化最敏感,沿y轴方向变化最不敏感;系统第一阶共振峰对关节间隙变化敏感,向低频区域移动,隔振能力恶化。     

考虑多间隙关节和不确定参数机构的非线性动力学分析

以典型四杆机构为研究对象，利用蒙特卡洛算法模拟不确定几何参数与间隙大小的生成，建立含多间隙关节和不确定参数的四杆机构非线性动力学方程，提出一种考虑多间隙关节和不确定参数机构的非线性动力学分析方法。首先，研究了不同情况下间隙关节和不确定参数对机构运动精度的影响，并量化机构运动误差；然后，重点探究了不确定参数、曲柄转速、间隙尺寸和间隙位置对四杆机构分岔与混沌现象的影响。分析结果表明：由于间隙关节和不确定参数的影响，导致了机构运动精度的降低；同时，利用分岔图证明了系统分岔和混沌行为对曲柄转速、间隙尺寸的依赖和敏感性；曲柄转速与间隙尺寸的变化，是导致机构出现分岔与混沌行为的主要因素，不确定几何参数对机构整体分岔现象的影响有限。     

基于旋量的风载作用3-RSR并联天线机构动力学建模

天线座架动力学问题关系到天线跟踪精度,同时外界风载对天线的影响不应忽视。以3-RSR(R为转动副,S为球面副)并联机构作为天线座架,分析少自由度并联天线机构动力学问题。首先描述并联机构起始位姿状态,通过指数积公式得到并联机构各杆件的位姿矩阵;然后通过运动副关节之间的约束关系,给出并联机构的约束矩阵,得到其雅克比矩阵和各杆件的速度旋量,通过推导约束矩阵的微分形式,获得并联机构各杆件的加速度旋量;其次根据各杆件力的平衡关系,推导并联天线机构的逆动力学模型。考虑风载荷作用提出并联天线机构动力学计算流程,分别运用MATLAB和ADAMS软件在俯仰和方位运动状态下对并联天线机构动力学模型进行仿真,对动力学模型进行求解与验证。研究工作对并联天线机构动力学性能提升及控制实现具有一定指导意义。     

肘杆式压力机机构动力学建模与分析向量键合图法

为提高肘杆式压力机机构动力学建模与分析的效率及可靠性,提出了相应的向量键合图法。由系统向量键合图模型基本场及结型结构的输入、输出向量间的代数关系,推导出便于计算机自动建立的系统驱动力矩及运动副约束反力方程的统一公式;根据运动约束关系,将平面运动构件、旋转铰及移动副的向量键合图模型组合起来,建立了三角形肘杆压力机机构的向量键合图模型。通过有效的增广方法,消除了机构向量键合图模型中的微分因果关系,克服了其给机构自动建模所带来的代数困难;在此基础上,实现了三角形肘杆压力机机构动力学自动建模与计算。结果揭示了脉冲形式的工作阻力对机构动力学性能的影响,说明了所述方法的有效性。     

基于并联机构及MR阻尼器的多维减振平台半主动控制研究

分析了磁流变阻尼器的力学特性,将其应用于多维减振系统中。采用经典的三平移并联机构作为多维减振平台的主体机构,推导出其位置逆解公式;建立了系统动力学状态方程模型,以运动学方程得到的支路加速度作为输入信号,控制器采用了基于线性二次型最优控制理论的半主动控制算法。考虑到动态过程中机构动力学方程的复杂性,采用稳态方法对并联机构处于某一运动姿态的支路移动副振动进行控制,从而控制了整个平台的振动。仿真结果表明,所采取的控制算法有较好的控制效果。     

具有一移动两转动并联机构设计及运动学分析

目的 针对食品行业包装工作量大,人工成本逐级提高且易出错的现状,设计一种能实现复杂运动的新型并联机构.方法 利用螺旋理论分析支链运动螺旋和约束螺旋,通过修正的Kutzbach-Grübler公式计算机构自由度.根据机构学和几何学关系,建立机构输入、输出参数关系方程;通过位置关系方程,得到机构输入、输出的速度和加速度关系方程.由于机构速度雅克比矩阵复杂,将判断矩阵是否满秩问题转化为多元函数求极值问题.根据机构约束条件,计算机构运动平台工作空间.建立机构位置正解的适应度评价函数,将改进的粒子群优化算法与迭代法相结合,求解机构位置正解.利用五次多项式对动平台中心点运动位姿进行轨迹规划,得到运动学输入参数的变化规律.结果 机构具有一移动两转动自由度.通过对上述问题数学模型的求解发现,机构不存在明显奇异位形,且工作空间连续,姿态角运动范围大.求得了机构高精度位置正解,驱动副运动学参数变化平稳,符合轨迹规划预期.结论 该新型并联机构满足食品抓取和装箱时所需的大工作空间要求,可以实现平稳运动,计算结果为机构动力学分析和实时控制奠定了理论基础.     

考虑运动副间隙的机构动态特性研究

为了研究运动副间隙对机构系统动态特性的影响,建立一种改进的间隙非线性连续接触碰撞力的混合模型,同时采用修正的库仑摩擦模型描述间隙处的摩擦作用,然后将间隙接触碰撞模型嵌入到ADAMS多体系统动力学分析软件中,以曲柄摇杆机构为对象,建立了含间隙机构的动力学模型并进行动力学仿真分析,仿真结果可以准确地预测运动副间隙对机构动态特性的影响,为机构设计提供了参考和依据,并且建立的间隙接触碰撞力的混合模型拓展了间隙铰接触碰撞动力学建模与含间隙机构动力学特性的研究,有利于工程实际应用。     

含混合间隙多体系统动力学分析

研究了混合间隙对多体系统动力学特性的影响。首先建立了同时含旋转副间隙和移动副间隙的多体系统动力学模型,然后以曲柄滑块机构为研究对象,分析了混合间隙对该系统动力学特性的影响。结果表明,混合间隙对滑块速度的影响不明显,对滑块加速度和曲柄力矩的影响比单个间隙的影响更加剧烈。为工程中建立更精确的含间隙机械系统动力学模型提供了理论依据。     

一种并联机构运动副摆放位置不同的静力学分析

目的运用螺旋理论在Matlab平台上对一种封装并联机构2-RPU/SPR,以及因其运动副摆放位置不同衍生出的3种两转一移并联机构2-UPR/SPR,2-UPR/RPS和2-RPU/RPS的静力学特性进行分析,并比较它们的优劣性。方法文中采用螺旋理论法对4种并联机构建立静力学数学模型,进而运用Matlab编程软件建立4个机构的程序模型,在Matlab中分2种情况对4个机构进行静力学分析。结果机构2-RPU/SPR的驱动力与其他3个机构相比相对较小;机构2-RPU/SPR的等效约束力和驱动力与其他3个机构相比变化波动较小。在动平台输出相同的情况下,机构2-RPU/SPR易于控制与驱动,灵活性高于其他3个机构;在动平台位姿相同的情况下,机构2-RPU/SPR抗外界干扰的能力优于其他3个机构。结论并联机构2-RPU/SPR比另外3个并联机构更好,在高精度包装工程中更具有实际应用前景。