混合驱动柔索并联机器人的设计与分析

为了使柔索并联机器人高效率、大负载、高性能的运动输出,根据并联机器人机构结构综合理论,设计一种新型混合驱动柔索并联机器人机构,给出机构虚拟样机模型,该机构通过混合驱动平面五连杆并联机构驱动柔索牵引末端执行器完成期望轨迹跟踪运动。基于牛顿—欧拉方法,建立混合驱动柔索并联机器人系统的动力学方程,结合实例进行力学分析和数值仿真。结果表明,混合驱动柔索并联机器人机构设计合理,数学模型正确,为混合驱动柔索并联机器人物理样机设计制造和控制系统的设计提供了理论依据。     

典型空间轨迹的张力优化算法研究

由于柔索驱动并联机构的驱动冗余性,使柔索张力求解的复杂性成为了系统的重要指标。首先建立柔索驱动并联机器人模型,同时对其进行静力学分析.其次,在一般线性规划算法的基础上,研究了两种张力优化算法并完成算法仿真.最后,以4柔索3自由度柔索驱动并联机器人为例,通过MATLAB平台实现该机器人在典型空间轨迹下的动态仿真,对比分析1-范数法和新型算法的仿真结果,观察动态柔索的张力分布变化,验证新型张力优化算法的高效性和正确性。     

可重构柔索并联机器人协同避障方法研究

针对可重构索驱动机器人自身结构与环境障碍物间高碰撞风险问题,设计了一种基于临界支撑线及多指抓握的可重构柔索机器人协同避障方法。通过简化环境障碍物与机器人结构得到一类可重构柔索机器人在复杂环境下的一般模型,在此模型基础上利用其结构的拓扑约束及障碍物间的临界支撑线求取机器人的无碰撞运动区域;通过凸包算法及凸包映射算法求取不同构型及障碍物分布下可重构柔索并联机器人的力封闭工作空间,并分析不同构型及障碍物分布对机器人无碰撞力封闭工作空间的影响;随后,通过优化算法求取指定运动轨迹上最优索分布;最后在重构索驱动机器人实验平台对所得优化结果进行验证。实验结果显示,所设计的可重构柔索机器人协同避障方法能有效避免重构索驱动机器人运动过程中的碰撞。     

基于Matlab与Labview的柔索并联机器人监控系统联合仿真

针对柔索并联机器人的结构特点,搭建了该机器人监控系统的总体框架。考虑到柔索并联机器人系统具有非线性强、外界干扰等特性,提出带有模糊补偿的自适应控制算法。进一步,通过Matlab与LabVIEW混合编程对柔索并联机器人进行了运动轨迹跟踪的联合仿真、监控界面的设计及网络发布。联合仿真结果表明,柔索并联机器人监控系统具有良好的轨迹跟踪性能,且监控人机界面友好,仿真效果较为直观明显。     

基于内张力补偿的并联柔索机构控制系统的研究

在并联柔索机器人的控制方法的研究中,大多忽略柔索的弹性,而实际上柔索弹性对控制系统性能影响较大,尤其是并联柔索驱动机构。因此建立了应用于风洞试验的并联柔索机构的动力学模型,进行了控制系统分析与设计。提出了采用常值重力及内张力补偿设计冗余并联柔索机构控制系统调节器的算法,实现了动平台点到点的位置控制,基于电机转角位置反馈分析了该控制系统PD调节器的误差,验证了该控制系统的稳定性,为冗余并联柔索机构控制系统的分析与设计提供了理论依据。     

一种可缠绕混合驱动柔索并联机构可视化分析与仿真

针对常规混合驱动柔索并联机构不能缠绕且工作空间较小的问题,提出了一种可缠绕混合驱动柔索并联机构。首先,确定了此并联机构的虚拟样机结构;然后,对结构的动力学进行了整体分析,基于拉格朗日方程,建立了系统动力学模型;最后,结合具体实例,利用Simulink软件对机构的工作情况进行仿真。结果表明,可缠绕柔索并联机构设计合理,输入参量可以根据系统要求实时变化,并且能够得到足够大的工作空间,为可缠绕混合驱动柔索并联机构的进一步物理样机研究提供了理论依据。     

柔索驱动并联机器人动力学建模与数值仿真

柔索驱动并联机器人采用柔索代替连杆作为驱动元件,并结合了并联机构和柔索驱动的优点。500 m口径大射电望远镜(Five-hundred meter aperture spherical radio telescope, FAST)粗调系统通过6根索长的协调变化使馈源舱作跟踪射电源的6自由度运动,其工作特点与并联机器人类似,因此可被看作柔索驱动并联机器人。基于此,根据FAST 5 m缩比试验模型,首先应用悬链线解析表达式推导出柔索两端固定时索端拉力与索长之间的关系,用于求解特定长度的驱动柔索对处于某一位姿的馈源舱的作用力。其次,对该舱索系统进行逆运动学分析,采用拉格朗日方程建立柔索驱动并联机器人的逆动力学模型。最后,针对FAST 5 m缩比模型的设计方案进行动力学仿真,数值结果表明该动力学建模是合理的。     

基于柔体动力学分析的平面并联机器人结构优化设计

针对高速高精度机器人的结构柔性问题，提出了一种基于柔体动力学分析的结构参数优化设计方法，并对一种含平行四边形结构的平面并联机器人进行了结构参数优化。采用离散梁模型来仿真机器人的柔性，轴套模型来仿真机器人关节的柔性，建立了参数化的柔体动力学模型。利用动力学仿真软件ADAMS对机器人的动态响应、驱动力矩和固有频率进行了计算，据此对机器人的结构参数进行了优化。最后通过固有频率测试和动态响应实验结果验证了优化设计的有效性和准确性。     

混合驱动腰部康复机器人机构设计及运动学分析

针对人体腰部的步态康复训练,设计了一种柔索气动肌肉混合驱动腰部康复机器人。通过对人体躯干在步态时运动状态的分析,确定康复机器人的基本功能要求。据此对康复机器人进行机械结构设计,使用双并联机构分别对人体腰部和下肢进行牵引驱动,并且采用柔性驱动,综合气动肌肉和柔索的驱动特点,不仅增加了康复机器人的适应性,还防止了受训人在训练过程中受到强迫性伤害。为验证机构的上述特点,使用封闭矢量环法计算了位姿逆解,并建立了速度雅可比矩阵。建立了考虑人体尺寸的康复机器人运动学模型和气动肌肉组件动力学模型,数值仿真得出步态时柔索、气动肌肉运动学性能以及气动肌肉组件力输出变化规律曲线,验证了机构的有效性。     

索杆高度可变的3自由度欠约束并联机器人的力学分析

柔索驱动并联机器人是并联机构中的一种特殊柔性机构,通过使用柔索代替刚性杆驱动末端执行器,其综合了柔性机器人和并联机器人两方面的优点。研究了一种索杆高度可变的3自由度欠约束并联机器人,根据矢量闭环原理,建立该机器人的逆运动学模型;根据柔索的长度,推导该机器人的正运动学模型;采用拉格朗日公式,建立该机器人的动力学模型;利用Monte-Carlo方法,研究该机器人的静力学工作空间;给定末端执行器的运动轨迹,通过机器人的逆运动学模型得出3根柔索的期望长度,以3根柔索的期望长度作为实验输入,得到3根柔索的实验长度曲线和拉力曲线以及机器人的正运动学轨迹。实验结果验证了该机器人的正逆运动学和动力学模型的正确性以及工作空间的有效性。     

Integrated design of legged mechatronic system

This paper presents a system based on the integrated design and experiment for a one degree-of-freedom (DOF) legged mechatronic system (LMTS). A six-bar linkage mechanism, which is derived from a four-bar linkage with a symmetrical coupler point and pantograph into one, is designed, and common controllers are used to control the velocity and position loops. For system-based dynamic optimization, the design for control (DFC) approach is used to integrate the structure and control for improving dynamic performance with reduced control torque. Finally, for a rapid 3D graphical based implementation of the system, high-level computer-aided rapid system integration (CARSI) technology is used to integrate the structure design, controller design, and system implementation into the design and analytical software environment based on Pro/engineer, XML syntax, Simmechanics, and Simulink. Thus, the development time for the LMTS is reduced.     

主动悬架和电动助力转向系统机械与控制参数集成优化

在建立汽车悬架和转向动力学模型的基础上,设计主动悬架和电动助力转向的集成控制系统。针对传统先设计结构参数后设计控制器易造成系统失去全局最优性能的特点,提出一种基于模拟退火的结构和控制器集成优化设计方法,将主动悬架和电动助力转向系统的主要机械结构参数和控制器的部分参数作为设计变量,以汽车的综合动力学指标为目标函数,进行同时优化。仿真计算和试验结果表明此方法与传统设计方法相比,对提高汽车操纵稳定性、行驶平顺性、操纵轻便性和安全性等综合性能具有较好的效果。     

A mechanical structure-based design method and its implementation on a fly-cutting machine tool design

The mechanical structure has a main influence of the machining performance and the servo performance. In this study, a mechanical structure-based design method is presented to design and optimize an ultraprecision fly-cutting machine tool. This method takes full account of the influence of mechanical components on the machining performance and servo performance at the design stage. The effect of the components structure on the roughness of machined surface is discussed, and an optimized structural form of the aerostatic spindle is given. The influence of the mechanical structure on the control system and electronic drives is discussed, and an integrated dynamic design model is built and used to optimize the hydrostatic slide. Furthermore, the impact of mechanical system dynamic performance of the machine tool on the processing topography is analyzed by the finite element model of the machine tool. This method provides a theoretical basis for the design and optimization of mechanical components and machine tools stiffness loop.     

结构动力学设计优化方法的新进展

阐述结构动力学优化设计的研究背景和意义。根据实践,扼要介绍近十年作者在结构动力学设计研究方面取得的若干新近展,内容包括,随机激励下以均方响应为约束的设计方法、结构动力学形状优化、结构动力学拓扑优化、动力学设计约束的性质和解的存在性以及结构／控制一体化优化设计,并对进一步的研究工作做简要展望。     

Light-Weight Design Method for Force-Performance-Structure of Complex Structural Part Based Co-operative Optimization

A light?weight design method of integrated structural topology and size co?optimization for the force?performance?structure of complex structural parts is presented in this paper. Firstly, the supporting function of a complex structural part is built to map the force transmission, where the force exerted areas and constraints are considered as connecting structure and the structural configuration, to determine the part performance as well as the force routines. Then the connecting structure design model, aiming to optimize the static and dynamic performances on connection configuration, is developed, and the optimum design of the characteristic parameters is carried out by means of the collaborative optimization method, namely, the integrated structural topology optimization and size optimization. In this design model, the objective is to maximize the connecting stiffness. Based on the relationship between the force and the structural configuration of a part, the optimal force transmission routine that can meet the performance requirements is obtained using the structural topology optimization technology. Accordingly, the light?weight design of conceptual configuration for complex parts under multi?objective and multi?condition can be realized. Finally, based on the proposed collaborative optimization design method, the optimal performance and optimal structure of the complex parts with light weight are realized, and the reasonable structural unit configuration and size charac?teristic parameters are obtained. A bed structure of gantry?type machining center is designed by using the proposed light?weight structure design method in this paper, as an illustrative example. The bed after the design optimization is lighter 8% than original one, and the rail deformation is reduced by 5%. Moreover, the lightweight design of the bed is achieved with enhanced performance to show the effectiveness of the proposed method.     

连续体结构综合优化设计

以连续体为对象的优化解法所求得的优化结果,经常只是反映最佳传力途径的具有锯齿状边界的某个区域。基于此,将拓扑优化、形状优化、有限元分析和计算机辅助几何设计有机地集成在一起,提出一种基于隐含边界描述的水平集连续体结构拓扑和形状渐进综合优化设计方法,将形状导数与拉格朗日乘子法引入到优化敏度分析中,控制水平集函数的动态运动,从而间接地实现结构边界的动态演化;用B样条曲线曲面逼近拓扑优化后的结构体边界,将前一优化过程所得到的反映传力途径的概念解上升为具有光顺边界,并被参数化了的物理解;在形状优化中,设计变量定义为B样条曲线或曲面的控制顶点的运动,建立边界节点移动速度场计算方法和边界形状调整方法,寻求较快的搜索方向,以合理速度分布,使结构变为最佳。通过一个典型算例证明所研究方法的有效性。     

摩托车整车振动性能匹配优化设计技术的研究

以整车有限元模型为基础,以降低整车振动为目标,基于MSC/NASTRAN,建立了摩托车整车结构优化的数学模型;针对整车振动性能的匹配,开发了辅助优化设计软件,进行了动力学灵敏度分析和优化设计。通过改变摩托车车架的板厚、管厚、管径,前后减震器的弹性系数、阻尼系数,悬挂系统的弹性系数等设计变量,在满足强度、刚度和其他要求的前提下,达到了性能匹配效果,实验验证了该优化算法和模型的可靠性。     

基于模态控制的结构/控制一体化优化设计

先分析了结构主动控制的模态控制。从结构与控制器一体化优化设计的角度出发 ,提出了以结构的质量和控制能量最小化为优化目标、以基频和结构的动响应为约束的联合优化设计模型。并对该优化设计模型进行了一定的简化处理 ,采用改进的拓扑组方法进行结构的集成拓扑优化设计。数值算例的结果表明 ,结构 /控制一体化优化设计是可行且有效的。     

Design of a five-axis ultra-precision micro-milling machine—UltraMill. Part 2: integrated dynamic modelling, design optimisation and analysis

Using computer models to predict the dynamic performance of ultra-precision machine tools can help manufacturers to substantially reduce the lead time and cost of developing new machines. However, the use of electronic drives on such machines is becoming widespread, the machine dynamic performance depending not only on the mechanical structure and components but also on the control system and electronic drives. Bench-top ultra-precision machine tools are highly desirable for the micro-manufacturing of high-accuracy micro-mechanical components. However, the development is still at the nascent stage and hence lacks standardised guidelines. Part 2 of this two-part paper proposes an integrated approach, which permits analysis and optimisation of the entire machine dynamic performance at the early design stage. Based on the proposed approach, the modelling and simulation process of a novel five-axis bench-top ultra-precision micro-milling machine tool—UltraMill—is presented. The modelling and simulation cover the dynamics of the machine structure, the moving components, the control system and the machining process and are used to predict the entire machine performance of two typical configurations.