多模式刚柔结合欠驱动抓取机构的设计、分析与实验测试

结合刚性欠驱动抓取机构与柔顺机构,提出一种多模式刚柔结合欠驱动抓取机构,并对所提出的机构进行分析与实验研究。基于刚体替代法,设计了二指多模式欠驱动抓取机构的刚柔结合方案。运用正运动学分析与载荷平衡方程,对驱动单元进行静力学建模。结合伪刚体模型法、载荷平衡方程与操作对象平衡位置枚举搜索,建立两点抓取与包络抓取模式下抓取力与驱动力矩的关系式。将驱动单元静力学建模与抓取单元静力学建模相结合,可以得到完整的多模式抓取力模型。进一步地,考虑由于接触引起的柔性杆件变形,结合线性插值,对抓取力模型进行修正。基于修正后的抓取力模型,对机构尺寸参数进行优化设计,综合提升机构在两点抓取模式和包络抓取模式下的载荷输出性能。RecurDyn仿真结果显示,在两点抓取模式和包络抓取模式下,修正后完整的抓取力模型与仿真值的最大相对误差为7.62%,并且所提出的优化算法有效提升了机构的两点抓取力与综合包络抓取力。实验结果显示,优化后的抓取机构抓取力有较大的提升,修正后完整的抓取力模型与实验值的最大相对误差为1.87%,验证了抓取力建模、优化设计的有效性。     

单级柔顺正交位移放大机构非线性建模与优化

同时实现操作的灵活性与稳定性是精密工程领域的研究热点。单级柔顺正交位移放大机构可通过正交位移转换实现平行夹持,并通过位移放大提高操作的灵活性,但该机构的传统建模方法主要基于小变形假定并忽略剪切作用,导致模型精度较低。为此,对典型的单力输入单级柔顺正交位移放大机构进行精确的非线性建模与优化。考虑到剪切作用与几何非线性因素,对单级柔顺正交位移放大机构输出位移进行两步法半解析建模,以实现非线性结果的快速预测。第1步,基于能量法与欧拉-伯努利梁理论,建立该机构输出位移的线弹性解析模型,并结合小变形静力学有限元分析,拟合剪切非线性修正系数;第2步,结合几何非线性静力学有限元分析与数值拟合,建立该机构输出位移的几何非线性修正系数模型。为最大化输出位移并抑制几何非线性作用,提出机构平面尺寸和厚度综合优化策略,并利用ANSYS Workbench有限元仿真验证了机构输出位移非线性模型与优化结果的有效性。仿真结果显示,机构输出位移非线性模型的误差小于5%,且可依据不同优化策略显著增大输出位移或将几何非线性程度约束于指定范围内。研究表明利用所提出的方法对单级柔顺正交位移放大机构进行非线性建模与优化,可有效提高压电驱动柔顺微夹钳的位移输出性能与开环控制的精度和实时性,有利于实现稳定灵活的微操作。     

小型超声清洗换能器有限元建模与谐响应分析

通过建立小型超声清洗换能器的ANSYS有限元模型,进行模态分析和谐响应分析,选择其实际工作频率,为其驱动电源输出频率的设计提供依据.利用阻抗分析仪测出换能器的固有频率,检验有限元模型的合理性.通过谐响应分析后处理功能,得到该换能器在实际工作频率下的第三强度理论当量应力分布图和正应力分布图,分析其变幅杆易开裂的原因.     

平面阻尼型欠驱动夹持器的多模式参数优化设计

欠驱动夹持器具有良好的自适应特性,广泛应用于机器人领域。针对欠驱动夹持器工作模式较多而导致参数优化困难的问题,以典型的平面阻尼型欠驱动夹持器为研究对象,提出一种夹持器多模式参数优化设计方法。所研究的夹持器有2种工作模式,分别为两点夹持与包络夹持。首先,对夹持器各工作模式进行静力学分析,建立输出夹持力与输入扭矩的解析关系,并引入外部约束法解决包络夹持静平衡位置较难确定的问题;然后,对各工作模式进行夹持力优化,以获得最优结构参数,并分析优化方向的共性;最后,通过ADAMS仿真验证了优化结果的正确性。结果表明：2种工作模式的优化方向相同且优化效果明显。本研究为多工作模式欠驱动夹持器的优化设计提供了参考方法。     

柔顺桥式位移放大机构的非线性建模与优化

柔顺桥式位移放大机构因结构紧凑、位移放大倍数大等优点已成为精密工程领域的研究热点。针对以往研究仅在线性范围内讨论桥式位移放大机构的设计与分析的问题,本文对典型集中柔度桥式位移放大机构进行了非线性建模与优化。考虑剪切作用与几何非线性,通过能量法、有限单元法与数值拟合,对机构的输入输出关系进行半解析建模,以实现非线性结果的快速预测。为实现输出位移最大化与抑制几何非线性作用,提出机构平面内尺寸与厚度的综合优化策略。ANSYS Workbench有限元仿真显示,机构非线性建模误差均在5%以内且优化结果具备有效性。本文提出的两步法半解析非线性建模方法以及平面内尺寸和厚度的综合非线性优化策略对其它复杂柔顺机构的非线性结果快速预测与优化设计具有参考意义。     

一种绳牵引并联机器人的时变势能场建模方法研究

针对目前绳牵引并联机器人时变势能场建模困难的问题，提出一种高精度时变势能场的建模解算方法。在绳索质量微分单元和绳索长度微分单元的基础上，通过有限元积分法建立绳牵引并联机器人势能场模型的积分表达式；通过结合绳牵引并联机器人悬链线模型高精度实时解析解和边界约束条件，对势能场模型的积分表达式进行求解，实现绳牵引并联机器人高精度时变势能场模型的解算。通过仿真测试，研究绳牵引并联机器人势能场模型的影响参数。研究结果为绳牵引并联机器人基于时变势能场的实时稳定性评价指标建立和稳定工作空间的构建提供参考。     

多模式绳牵引刚柔结合夹持器设计与分析

为了解决夹持器难以稳定夹持轮廓复杂的易损异形物体的问题，以提高夹持器的自适应性和保护抓取能力，设计了一种包括绳索驱动系统和柔性铰链结构的绳牵引刚柔结合夹持器。通过设计夹持器的绳索路径实现多种抓取模式之间的相互转换。在载荷平衡方程的基础上对两种抓取模式进行静力学建模，得到输入力与输出夹持力之间的力学模型，并通过数值仿真和物理试验验证力学模型的正确性与夹持器的抓取性能。最后，分别对不同几何形状和不同刚度的抓取目标进行抓取试验，验证了夹持器自适应保护抓取的能力。     

柔顺正交二级杠杆位移放大机构的设计与分析

设计位移放大机构是扩大压电叠堆驱动器输出位移，进而提升精密定位平台和微纳操作末端执行器工作空间的常见策略之一。对于柔顺位移放大机构，如何提高位移增益并使输出位移达到预期方向是其研究热点之一。鉴于此，对柔顺正交二级杠杆位移放大机构进行了系统性设计与分析。首先，分析机构与压电叠堆驱动器的运动学特性要求，结合机构自由度分析与刚体替代法，对柔顺正交二级杠杆位移放大机构进行系统性结构设计；然后，考虑柔顺铰链中点漂移与杆件变形，运用矢量多边形、卡氏第二定理与静力平衡方程，对机构位移增益进行静力学建模；进而，基于蒙特卡洛方法，对机构尺寸参数进行全局敏感性分析；最终，利用有限元仿真，对机构运动学综合、位移增益建模以及敏感性分析结果的有效性进行验证，并基于敏感性分析和有限元仿真结果，进一步设计了机构尺寸参数的制造公差等级。所提出的机构位移增益建模与敏感性分析方法无需使用输入输出位移正交的条件，可以推广应用于一般的柔顺多级杠杆位移放大机构。