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空间连杆引纬机构柔性铰间隙动态特性研究

纺织学报 2021年第1期42卷 145-153页

作者：李博胡凯金国光魏展畅博彦天津工业大学天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387 天津工业大学机械工程学院天津300387

为提升高速剑杆织机的运行效率,深入研究运动副间隙给空间连杆引纬机构运动输出带来的影响。首先,采用矢量法对空间连杆引纬机构进行运动学仿真,选择适合高速剑杆织机工况下的Lankarani-Nikravesh建模方法;其次,将计算得到的运动学参数... 详细信息

为提升高速剑杆织机的运行效率,深入研究运动副间隙给空间连杆引纬机构运动输出带来的影响。首先,采用矢量法对空间连杆引纬机构进行运动学仿真,选择适合高速剑杆织机工况下的Lankarani-Nikravesh建模方法;其次,将计算得到的运动学参数与柔性铰碰撞力模型相结合,使用Newton-Euler方法对系统运动输出部分进行动力学分析;结合具体工程实例,求解不同间隙下系统的动态特性;最后,通过虚拟样机检测数据校核并与刚性铰间隙碰撞建模方法进行输出对比和误差分析。结果表明:间隙的增加会导致剑头加速度的剧烈波动,进而影响空间连杆引纬机构平稳接纬和剑头准确夹持纬纱;在间隙值为0.5 mm时,采用柔性铰方法能将剑头位移的峰值误差缩小69.4%,有效提升工作精度。

关键词：引纬机构柔性铰穿刺深度接触碰撞力剑杆织机

折纸诱导的层压结构微型多轴柔性铰原理及其应用

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折纸诱导的层压结构微型多轴柔性铰原理及其应用

作者：张正发重庆大学

学位级别：硕士

随着智能制造技术的发展,在微装配、微操作和自动化制造系统中,对机器人的轻量化、微型化的要求越来越高。采用柔顺机构的结构形式,并利用微型多轴柔性铰充当关节,具有结构简单、无间隙摩擦、无空回、无需润滑、高分辨率和易于精确控制... 详细信息

随着智能制造技术的发展,在微装配、微操作和自动化制造系统中,对机器人的轻量化、微型化的要求越来越高。采用柔顺机构的结构形式,并利用微型多轴柔性铰充当关节,具有结构简单、无间隙摩擦、无空回、无需润滑、高分辨率和易于精确控制等优点,是机器人实现微型化的必然选择。然而,现有的多轴柔性铰受到结构、材料和制造工艺的限制,难以实现轻量化、微型化。尚无能够实际应用的微型多轴柔性铰,已成为制约机器人微型化和微型机器人技术发展的瓶颈。针对上述问题,本文提出并研究了折纸诱导的层压结构微型多轴柔性铰,其主要研究工作和研究成果包括:(1)提出并研究了微型多轴柔性铰的原理与结构,具体包括柔性球铰和柔性虎克铰。根据Denavit-Hartenberg约定和矩阵法,建立了微型多轴柔性铰的数学模型和柔度方程。利用该模型能够根据各个单轴柔性铰的转动角度和柔度系数分别解算出微型多轴柔性铰的转动姿态和各个方向的柔度系数,以及根据微型多轴柔性铰的转动姿态解算出各个单轴柔性铰的转动角度。(2)基于建立的数学模型,采用蒙特卡罗法分析了微型多轴柔性铰的工作空间特性,并通过数值仿真法分析了其柔度特性。结果表明:工作空间形状呈“蝴蝶形”,沿Oyz 平面翻转对称,工作空间范围与单轴柔性铰的转动角度呈正相关。微型多轴柔性铰与转动能力相关的柔度系数很大,与承载能力相关的柔度系数很小,减小r值可以提高其承载能力且不影响其转动能力。(3)建立了微型多轴柔性铰的分层制造工艺,并建立了实验系统以验证其工作原理和数学模型。利用该工艺开发出的原型尺寸为6 mm×4 mm×0.5 mm,柔性球铰和柔性虎克铰能够分别实现大角度的3自由度转动和2自由度转动。(4)为了验证所提出的微型多轴柔性铰在微型机器人中的应用,提出并研究了一种基于微型多轴柔性铰的柔顺6-PUS并联机器人,分析了其工作原理和运动特性,开发了其原型并进行了实验测试,其尺寸为45 mm×40 mm×25 mm,质量仅为5.5 g,且能够实现大范围的6自由度运动。本文的研究工作推动了柔顺机构和并联机构的发展,并为机器人的进一步微型化、轻量化奠定了基础。

关键词：柔性铰多轴折纸层压结构微型机器人

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柔性铰并联六维力传感器误差分析与实验研究

柔性铰并联六维力传感器误差分析与实验研究

作者：张彩凤燕山大学

学位级别：硕士

近年来,基于柔性并联机构的六维力传感器以其较高的测量精度深受重视并得到了快速发展,但是在加工制造和工作过程会不可避免地由于自身原因使测力平台产生形位误差,严重影响着传感器精度、线性度、灵敏度等静态性能指标,使其难以满足精... 详细信息

近年来,基于柔性并联机构的六维力传感器以其较高的测量精度深受重视并得到了快速发展,但是在加工制造和工作过程会不可避免地由于自身原因使测力平台产生形位误差,严重影响着传感器精度、线性度、灵敏度等静态性能指标,使其难以满足精确测量的工作环境。本课题结合工程实际,对柔性铰6-UPUR六维力传感器机构本身误差因素进行探讨,并开展静态标定实验进行验证。主要的研究如下:首先,运用Denavit-Hartenberg（以下简称D-H）建模方法推导出传感器加工制造误差模型,并通过虚设运动副的方法将各个误差源映射为四类D-H参数,并针对主要误差源（测力平台和固定平台的半径误差,分支中间U副和下定位块U副的两运动轴线的间距误差,单维力传感器安装误差）运用蒙塔卡洛方法对其进行分析。其次,基于Euler-Bernoulli梁理论和假设小变形理论,给出传感器所应用的两种R副的柔度矩阵,运用柔性串联支路的变形叠加原理和并联组合的变形协调条件,求取了传感器整体刚度矩阵,构建了标定变形误差模型,借助有限元分析软件ANSYS Workbench对传感器进行静力分析,得出由各维施加力的变化所引起的测力平台形位变化,并与理论计算结果进行对比。再次,给出基于并联机构的六维力传感器的力学模型,并对传感器加工制造误差和标定变形误差进行综合;给出传感器精度和其它静态性能指标的定义,并针对理想情况和计入各项误差两种情况下进行对比分析,得出误差对传感器静态性能的影响。最后,开展静态标定实验,得出由最小二乘法解耦计算得出的标定矩阵和误差矩阵;采用激光干涉仪对传感器标定过程中的结构变形进行检测,进而对传感器三种情况下得到的一阶静力影响系数矩阵进行比较分析,并对柔性并联六维力传感器参数优化提供指导。

关键词：柔性铰六维力传感器加工制造误差标定变形误差静态标定

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柔性铰机器人动力学仿真

系统仿真学报 2008年第10期20卷 2550-2552页

作者：李小琴章定国南京信息职业技术学院机电工程系江苏南京210046 南京理工大学理学院江苏南京210094

考虑关节的柔性,把关节柔性简化成一个线性扭转弹簧。然后利用拉格朗日方法推导出完整的动力学方程。该方程有两组相互耦合的动力学方程组成,一组为通常的多刚体动力学方程,一组为铰柔性产生的动力学方程。并且利用了一个数值模拟例子... 详细信息

考虑关节的柔性,把关节柔性简化成一个线性扭转弹簧。然后利用拉格朗日方法推导出完整的动力学方程。该方程有两组相互耦合的动力学方程组成,一组为通常的多刚体动力学方程,一组为铰柔性产生的动力学方程。并且利用了一个数值模拟例子研究了柔性铰对机器人动力学响应的影响。其中考虑了关节的柔性所产生的动力学方程更为精确,因此在机器人动力学建模和控制中要充分考虑到柔性的影响。

关键词：动力学方程拉格朗日方程数值模拟柔性铰

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考虑铰阻尼的柔性杆柔性铰机器人动力学研究

考虑铰阻尼的柔性杆柔性铰机器人动力学研究

作者：方五益南京理工大学

学位级别：硕士

在航天、航空、机器人、车辆、兵器等工程领域,许多系统可看作柔性杆柔性铰机器人来研究。首先建立了考虑铰阻尼的柔性单杆单铰机器人模型,模型中柔性杆件的变形不仅考虑纵向拉伸变形和横向弯曲变形,还考虑了由柔性杆件横向变形引起的... 详细信息

在航天、航空、机器人、车辆、兵器等工程领域,许多系统可看作柔性杆柔性铰机器人来研究。首先建立了考虑铰阻尼的柔性单杆单铰机器人模型,模型中柔性杆件的变形不仅考虑纵向拉伸变形和横向弯曲变形,还考虑了由柔性杆件横向变形引起的纵向耦合变形量。其中柔性铰考虑了阻尼和质量。采用假设模态法描述杆件的柔性变形,运用第二类拉格朗日方程推导出了考虑铰阻尼的柔性单杆单铰机器人高次刚柔耦合动力学方程。用得到的方程编写程序对考虑铰阻尼的柔性单杆单铰机器人进行仿真分析,探究柔性铰的刚度和阻尼对柔性单杆单铰机器人动力学响应的影响。然后建立了考虑铰阻尼的柔性多杆多铰机器人模型,模型中柔性杆件的变形不仅考虑纵向拉伸变形、横向弯曲变形和杆件扭转变形,还考虑了由柔性杆横向变形引起的纵向耦合变形量。模型中也考虑铰的阻尼和质量。采用假设模态法描述杆件的柔性变形,运用矩阵递推方法程式化推导出考虑铰阻尼的柔性多杆多铰机器人拉格朗日形式的刚柔耦合动力学方程。用得到的方程编写程序对考虑铰阻尼的柔性多杆多铰机器人进行仿真分析,探究柔性铰的刚度和阻尼对柔性多杆多铰机器人动力学响应的影响。最后用所得模型,求得刚性铰和柔性铰情况下机器人完成相同运动所需的控制力矩,探究铰的柔性对机器人控制的影响。

关键词：柔性杆柔性铰铰刚度铰阻尼动力学控制

含非线性接触碰撞的大口径舰炮弹链柔性铰多体模型

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哈尔滨工程大学学报 2011年第9期32卷 1217-1222页

作者：胡胜海郭彬邓坤秀徐鹏哈尔滨工程大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150001

针对某型大口径舰炮在供弹过程中因炮弹晃动过大引起的扬弹机卡弹问题,建立了含非线性接触碰撞、摩擦的弹链柔性铰多体动力学模型,采用递推的方法得到弹链的运动学和动力学方程,给出了柔性铰刚度系数、接触刚度系数分别按材料和接触表... 详细信息

针对某型大口径舰炮在供弹过程中因炮弹晃动过大引起的扬弹机卡弹问题,建立了含非线性接触碰撞、摩擦的弹链柔性铰多体动力学模型,采用递推的方法得到弹链的运动学和动力学方程,给出了柔性铰刚度系数、接触刚度系数分别按材料和接触表面特征计算的方法.在不同材料的弹筒以及不同片弹簧刚度系数下的计算结果表明,钢制弹筒比铝制弹筒能更好地限制炮弹晃动,增大片弹簧刚度系数可以减小炮弹晃动,但增加到某一数值后作用并不明显.研究为减小炮弹的晃动、提高某型大口径舰炮链式供弹平台供弹可靠性和安全性提供了理论依据.

关键词：大口径舰炮弹链炮弹晃动柔性铰非线性接触碰撞

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变刚度柔性铰机器人动力学建模与控制

变刚度柔性铰机器人动力学建模与控制

作者：张立青南京理工大学

学位级别：硕士

随着社会的发展,各行各业对于机器人的需求越来越明显,对机器人各部件的性能要求越来越高,在对机器人进行研究的过程中需要考虑的因素很多,有些柔性问题解决起来比较困难。传统意义的机器人建模已经完全不能满足这个高速发展的时代,对... 详细信息

随着社会的发展,各行各业对于机器人的需求越来越明显,对机器人各部件的性能要求越来越高,在对机器人进行研究的过程中需要考虑的因素很多,有些柔性问题解决起来比较困难。传统意义的机器人建模已经完全不能满足这个高速发展的时代,对于机器人各种操作要求的高精度、高速度、低负载等情况分析,带来的结果误差很大,而很多例如航空航天、新兴行业以及精密仪器的制作等等都不允许实际工作中出现误差,必须控制在极小的范围内,因此对于机器人柔性的研究就显得更加重要。本文利用拉格朗日方法对考虑柔性效应的柔性铰机器人进行动力学建模,充分考虑了柔性铰机器人杆件的拉伸、弯曲、弯曲变形在轴向产生的耦合变形以及高速运动下产生的动力刚化项,所得模型能够适应大部分柔性机器人的运动分析。针对于目前出现的种种智能材料,提出了变刚度柔性铰的概念,用c语言编制了一套适用于柔性机器人动力学分析的程序软件,通过算例分析变刚度柔性铰对系统运动的影响,着重分析了铰柔性对于机器人运动的影响,为了方便后面讨论变刚度柔性铰在某种程度上能够辅助调控机器人杆件末端的运动,从而为逆运动学提供一种新思路,本文分别研究了柔性铰扭转刚度、杆端集中质量、驱动力矩改变的情况下机器人柔性对机器人运动的影响。最后用一算例验证了变刚度柔性铰的控制作用。

关键词：柔性铰变刚度拉格朗日法刚柔耦合运动控制

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空间曲线切口式柔性铰的设计

光学精密工程 2010年第10期18卷 2192-2198页

作者：李琳杨勇北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191

为了满足精密仪器连接部件的柔度和强度需求,以切口曲线为二次曲面和圆柱面的相贯线的柔性铰为例,研究了一类空间曲线切口式柔性铰的设计方法。推导了此类柔性铰转动柔度的一般设计计算公式,分析了设计参数对柔度特性的影响,在此基础上... 详细信息

为了满足精密仪器连接部件的柔度和强度需求,以切口曲线为二次曲面和圆柱面的相贯线的柔性铰为例,研究了一类空间曲线切口式柔性铰的设计方法。推导了此类柔性铰转动柔度的一般设计计算公式,分析了设计参数对柔度特性的影响,在此基础上提出了此类柔性铰的设计方法。依据提出的方法设计了空间曲线切口式柔性铰,并利用有限元分析方法对设计实例进行了柔度和强度校核,同时建立了模态实验系统识别其柔度。结果表明,两种柔度校核结果与设计计算公式结果吻合较好,最大误差不超过5%,验证了设计方法的有效性,为此类柔性铰应用于精密仪器的工程设计提供了参考。此外,文中给出的有限元建模分析方法以及试验测试方法也可用于相同类型的精密构件的力学特性研究与分析。

关键词：柔性铰柔度有限元分析实验模态分析

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柔性杆柔性铰机器人碰撞动力学建模与仿真

南京理工大学学报 2013年第3期37卷 415-421页

作者：钱震杰章定国刘俊洪嘉振南京理工大学理学院江苏南京210094 上海交通大学工程力学系上海200240

为了研究杆和铰的柔性对柔性多体系统碰撞动力学的影响,该文以高次刚柔耦合动力学理论为基础,对由n柔性杆和n转动铰构成的柔性机器人系统进行了碰撞动力学建模与仿真。考虑了柔性杆的拉伸变形、横向弯曲变形、扭转变形、铰的柔性效应和... 详细信息

为了研究杆和铰的柔性对柔性多体系统碰撞动力学的影响,该文以高次刚柔耦合动力学理论为基础,对由n柔性杆和n转动铰构成的柔性机器人系统进行了碰撞动力学建模与仿真。考虑了柔性杆的拉伸变形、横向弯曲变形、扭转变形、铰的柔性效应和质量。采用Hertz接触理论和非线性阻尼理论描述碰撞力。引入碰撞力势能,运用拉格朗日方程获得碰撞力所对应的广义力,得到了柔性机器人的碰撞动力学方程。编制了柔性杆柔性铰机器人含碰撞的全局动力学仿真软件。通过2个仿真算例分析了高次耦合和铰的柔性效应对柔性机器人系统碰撞动力学行为的影响,验证了该文方法的可行性。

关键词：柔性杆柔性铰机器人碰撞动力学高次耦合