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旋翼无人机交互作业动力学建模研究进展

航空学报 2022年第10期43卷 518-535页

作者：丁希仑金雪莹北京航空航天大学机器人研究所北京100191

近年来,作业型旋翼无人机在学界、工业、商业等各大领域受到广泛关注,因其结合旋翼无人机的灵活机动性和作业装置的操作能力实现空中移动作业而具有广阔的应用范围。作业型旋翼无人机与环境交互过程中的动力学行为十分复杂,能否准确建... 详细信息

近年来,作业型旋翼无人机在学界、工业、商业等各大领域受到广泛关注,因其结合旋翼无人机的灵活机动性和作业装置的操作能力实现空中移动作业而具有广阔的应用范围。作业型旋翼无人机与环境交互过程中的动力学行为十分复杂,能否准确建立与环境交互全过程的动力学模型是影响其性能的关键因素。国内外针对作业型旋翼无人机的动力学建模问题开展了深入研究并取得诸多成果,首先,将作业型旋翼无人机的动力学建模技术从飞行模式引申至交互作业模式并重点对后者进行调研,通过不同应用对交互作业模式进行分类并首次根据多体系统动力学中的约束概念对作业型旋翼无人机的交互任务模式进行详细划分。然后,将常用交互作业模式划分为接触、吊挂、抓持3种类型并分别对其动力学建模方法进行调研分析,给出各交互作业模式下的通用性动力学建模方法并对国内外研究现状进行介绍。最后,阐明该领域所面临的挑战并对未来发展趋势进行介绍。

关键词：旋翼无人机作业装置动力学建模约束交互作业

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基于曲柄弹簧机构的零刚度柔性铰链研究

机械工程学报 2018年第13期54卷 86-93页

作者：毕树生杨其资刘浪赵宏哲北京航空航天大学机器人研究所

零刚度柔性铰链的转动刚度近似为零,克服了普通柔性铰链需要驱动力矩的缺陷,可应用于柔性夹持器等领域。以纯扭矩作用下的内外环柔性铰链为正刚度子系统,研究负刚度机构并匹配正负刚度,可构造零刚度柔性铰链。提出一种负刚度转动机构—... 详细信息

零刚度柔性铰链的转动刚度近似为零,克服了普通柔性铰链需要驱动力矩的缺陷,可应用于柔性夹持器等领域。以纯扭矩作用下的内外环柔性铰链为正刚度子系统,研究负刚度机构并匹配正负刚度,可构造零刚度柔性铰链。提出一种负刚度转动机构——曲柄弹簧机构,建模分析了其负刚度特性;通过匹配正负刚度,分析了曲柄弹簧机构的结构参数对零刚度品质的影响;提出一种可定制刚度和尺寸的线性弹簧——菱形片簧串,建立其刚度模型并进行了有限元仿真验证;最终,完成了一种结构紧凑的零刚度柔性铰链样件的设计、加工和测试。测试结果表明:纯扭矩作用下,±18°转角范围内,零刚度柔性铰链的转动刚度比内外环柔性铰链平均降低了93%。所构造的零刚度柔性铰链结构紧凑,零刚度品质高;所提出的负刚度转动机构和可定制刚度的线性弹簧对柔性机构的研究具有较大的参考价值。

关键词：曲柄弹簧机构内外环柔性铰链零刚度柔性铰链负刚度转动机构菱形片簧串

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剪叉弯曲折展变胞机构的设计与分析

机械工程学报 2020年第5期56卷 55-62页

作者：徐坤乔安伟丁希仑北京航空航天大学机器人研究所北京100191

提出了一种基于剪叉机构单元的剪叉弯曲折展变胞机构单元,给出了构造该变胞机构的约束条件。建立了该机构单元运动的数学模型,通过计算分析了该机构的自由度和运动形式。提出了剪叉弯曲折展机构单元在剪叉机构运动和弯曲机构运动状态转... 详细信息

提出了一种基于剪叉机构单元的剪叉弯曲折展变胞机构单元,给出了构造该变胞机构的约束条件。建立了该机构单元运动的数学模型,通过计算分析了该机构的自由度和运动形式。提出了剪叉弯曲折展机构单元在剪叉机构运动和弯曲机构运动状态转变的工程实现方法,并通过计算分析得到了实现该方法所需的杆长约束条件和角度初始条件。提出了控制机构单元弯曲曲率的方法,通过数值计算得到了限位连杆长度与弯曲曲率的定量关系。该机构单元可以串联组合用于大尺寸物体的抓取。建立了单个机构单元以及两个机构单元组合的三维模型,进行了运动仿真模拟,验证了设计的可行性。

关键词：折展机构变胞机构剪叉机构

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行为机构学与高端装备创新设计

机械工程学报 2023年第19期59卷 202-212页

作者：刘辛军于靖军谢福贵赵慧婵孟齐志清华大学机械工程系北京航空航天大学机器人研究所

近年来，科技的迅猛发展对高端装备以及各类机器的环境适应性、交互能力等提出了更高要求，一类新的机构学研究方向——基于“交互特性”的行为机构学研究呼之欲出且迫在眉睫。在尝试阐述行为机构学内涵的基础上，重点展望行为机构学的... 详细信息

近年来，科技的迅猛发展对高端装备以及各类机器的环境适应性、交互能力等提出了更高要求，一类新的机构学研究方向——基于“交互特性”的行为机构学研究呼之欲出且迫在眉睫。在尝试阐述行为机构学内涵的基础上，重点展望行为机构学的6个重点研究方向和两大核心科学问题，其中重点研究方向包括机构与机器的行为学基础与表征方法、适应性机构学理论、超材料/超结构、面向群体/群智行为的机构综合理论与技术、人-机器人共融的机构学基础、面向性能保障与增强的其他行为机构学基础等。通过对航空航天领域复杂加工、太空深海探测等几个典型应用场景的示例枚举，展现行为机构学研究潜在重要的科学与工程价值，行为机构学对高端装备的创新设计和应用可起到重要支撑作用。

关键词：行为机构学仿生机构共融机器人创新设计

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仿生蝗虫机构着陆缓冲过程中的能量分配

机械工程学报 2015年第13期51卷 196-202页

作者：陈殿生张自强陈科位北京航空航天大学机器人研究所北京100191

着陆缓冲是仿生蝗虫跳跃机器人研究的重要问题之一,由于蝗虫的前腿、中腿和后腿尺寸不同,因此对缓冲过程中每条腿能量的分配直接影响到机器人受到地面冲击力和腿部肌肉力的大小,从而影响缓冲性能。在对蝗虫形态及着陆过程进行试验观测... 详细信息

着陆缓冲是仿生蝗虫跳跃机器人研究的重要问题之一,由于蝗虫的前腿、中腿和后腿尺寸不同,因此对缓冲过程中每条腿能量的分配直接影响到机器人受到地面冲击力和腿部肌肉力的大小,从而影响缓冲性能。在对蝗虫形态及着陆过程进行试验观测的基础上,采用弹簧等效代替蝗虫腿部肌肉,建立仿生蝗虫机构模型,并通过对机构进行受力分析,求得地面对机构各条腿支撑力与弹簧刚度系数之间的函数关系式。基于地面支撑力、腿部弹簧力以及每条腿的抗冲击能力的不同,提出了使得力的变化平缓、无冲击载荷的能量分配原则,根据该原则可求得各条腿的弹簧刚度系数。从算例中可以看出,此时仿生蝗虫机构所受到的地面支撑力和腿部弹簧力与不同着陆腿的抗冲击能力相吻合,且力的变化趋势平稳,可实现较好的缓冲效果。分析结果表明了分配方法的可行性,这为仿生蝗虫机构设计时腿部弹簧的选型提供了依据。

关键词：仿生蝗虫机构着陆缓冲受力分析能量分配

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电动往复式步态矫形器机构优化设计

机械工程学报 2015年第21期51卷 33-41页

作者：陈殿生宁萌阮子喆张本光北京航空航天大学机器人研究所北京100191

针对原有往复式步态矫形器对患者体力消耗较大、步态差异大且失真严重、膝关节康复效果微弱等问题,对矫形器进行改进设计,分别在矫形器的髋关节和膝关节处增加了驱动机构,设计出一种电动往复式步态矫形器(Electric reciprocating gait o... 详细信息

针对原有往复式步态矫形器对患者体力消耗较大、步态差异大且失真严重、膝关节康复效果微弱等问题,对矫形器进行改进设计,分别在矫形器的髋关节和膝关节处增加了驱动机构,设计出一种电动往复式步态矫形器(Electric reciprocating gait orthosis,ERGO),可通过穿戴在患者下肢上,协助无行走能力的患者实现行走功能。由于人体下肢运动关节的复杂性,电动往复式步态矫形器与人体下肢运动关节不可避免存在一定的差异,因此需要通过机构的优化使得人-机之间髋、膝关节的运动规律及下肢末端轨迹更加接近,从而避免患者在使用过程中由于人-机运动偏差而造成不必要的伤害。在此基础上通过仿真分析和试验验证,证明了电动式往复式步态矫形器的可行性和优化结果的有效性。

关键词：矫形器下肢康复驱动机构结构设计优化分析

交叉簧片柔性虎克铰在静平衡仪中的应用及性能测试

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机械工程学报 2015年第21期51卷 1-6页

作者：张述卿毕树生赵宏哲宗光华刘浪北京航空航天大学机器人研究所北京100191

通过对广义交叉簧片柔性铰链转角公式的分析，揭示了铰链刚度和仪器灵敏度之间的关系。为了避免垂直载荷的变化对铰链转动刚度的影响，设计具有恒定转动刚度的交叉簧片柔性虎克铰，并以柔性虎克铰为转动支撑单元搭建针对万向节装置不平... 详细信息

通过对广义交叉簧片柔性铰链转角公式的分析，揭示了铰链刚度和仪器灵敏度之间的关系。为了避免垂直载荷的变化对铰链转动刚度的影响，设计具有恒定转动刚度的交叉簧片柔性虎克铰，并以柔性虎克铰为转动支撑单元搭建针对万向节装置不平衡力矩测量的两自由度柔性静平衡仪。通过对沿特定方向特定量不平衡力矩的测量，在0～7000g有效载荷范围内对仪器分别沿x轴和y轴不平衡力矩测量的同步灵敏度进行测试。结果表明，所搭建的柔性静平衡仪各轴的灵敏度约为1．1g·mm，灵敏度基本不受仪器有效载荷变化的影响，而且仪器各轴同步测量的灵敏度基本一致。所设计具有恒定转动刚度的交叉簧片柔性虎克铰的转动性能及承载性能优良。

关键词：交叉簧片柔性铰链恒定转动刚度不平衡力矩万向节装置虎克铰静平衡仪

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广义三交叉簧片柔性轴承的旋转刚度特性研究

机械工程学报 2015年第13期51卷 189-195页

作者：杨其资刘浪毕树生赵宏哲北京航空航天大学机器人研究所北京100191

广义三交叉簧片柔性轴承(Generalized triple-cross-spring flexure pivots,GTCSFP)具有较大运动行程和较高精度特性,综合性能优良,可广泛应用于各类精密仪器。在小角度近似和无轴漂假设的前提下,利用梁约束模型应变能理论,建立GTCSFP... 详细信息

广义三交叉簧片柔性轴承(Generalized triple-cross-spring flexure pivots,GTCSFP)具有较大运动行程和较高精度特性,综合性能优良,可广泛应用于各类精密仪器。在小角度近似和无轴漂假设的前提下,利用梁约束模型应变能理论,建立GTCSFP的旋转刚度解析模型,并给出模型的适用范围和误差估算方法。模型分析结果表明:1当簧片交叉点位置参数λ=0.127 3时,扭矩与转角呈线性关系;2扭矩m和切向力f对柔性轴承具有驱动作用,径向力p会影响柔性轴承的旋转刚度;3在给定的适用范围内,特别是当λ∈[0.1,0.2]时,刚度模型准确性较高。GTCSFP的非线性有限元分析结果验证了旋转刚度模型及其分析结论的准确性。对实际加工的GTCSFP进行试验测试,试验结果与有限元分析和刚度模型的结果基本一致,模型准确性得到试验验证。所建立的GTCSFP旋转刚度模型,对其参数设计和优化具有指导意义和参考价值。

关键词：三交叉簧片柔性轴承柔性铰链刚度模型大行程

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一种新型并联变胞机构的设计与分析

机械工程学报 2015年第7期51卷 30-37页

作者：吴腾张武翔丁希仑北京航空航天大学机器人研究所北京100191

3-UPU并联机构的动静平台虎克铰关节轴线在满足不同的几何约束条件下可分别具有平动和转动的输出特性。根据变胞机构理论中改变运动副方位特征实现构态变换的原理,设计一种3-UPU并联机构构态转换实现机构。此机构由结构相同的上下两部... 详细信息

3-UPU并联机构的动静平台虎克铰关节轴线在满足不同的几何约束条件下可分别具有平动和转动的输出特性。根据变胞机构理论中改变运动副方位特征实现构态变换的原理,设计一种3-UPU并联机构构态转换实现机构。此机构由结构相同的上下两部分运动链组成,通过改变其连接关系可实现3-UPU并联机构动静平台虎克铰轴线在平行和汇交之间变化,达到改变其运动输出的目的,从而形成一种新型并联变胞机构。由于变胞机构具有多组耦合关系,合适的构态转换位置是影响后续构态机构工作性能的重要因素,应用螺旋理论分别进行其各构态机构的自由度分析,并以机构工作空间为例分析构态转换位置点对其工作性能的影响。

关键词：变胞机构并联机构构态转换工作空间