基于能耗分析的闭链弓形五连杆加速度规划研究

为了降低闭链弓形五连杆沿直线加速翻滚运动过程中的能量损耗,研究了恒势能和变势能翻滚策略下最大翻滚加速度对系统总能耗的影响规律。采用了一种可调整最大翻滚加速度的修正梯形曲线作为系统翻滚角的加速度规律,分别利用恒势能和变势能翻滚策略得到关节轨迹。在此基础上,考虑关节中的黏滞摩擦,运用了含耗散函数的拉格朗日方程求动力学逆解,并通过能耗方程计算系统总能耗。计算结果表明,随最大翻滚加速度的增大系统总能耗先减小后增大;采用恒势能翻滚策略有利于降低系统总能耗。最后,通过Adams仿真验证了理论分析的正确性。     

基于并行计算的杆长和惯性参数可变的平面闭链机构动力学解析模型

基于凯恩动力学方程和数字一符号方法,提出基于构件子模型和并行计算建立杆长和惯性参数可变的平面闭链机构动力学解析模型的方法,并对驱动构件杆长和质量变化对驱动力/力矩的影响进行研究.采用封闭矢量法对平面闭链机构进行运动分析,得到各构件的速度和加速度表达式;将独立广义坐标以及杆长和惯性参数作为符号量,其余参数处理为数字量,离线生成各动力学子模型矩阵元素的实时代码,然后由叠加得到机构总的驱动力/力矩.针对各构件的子动力学模型,提出一种基于子模型动力学并行算法的实时代码优化方法.由于动力学模型的离线建立和优化以及采用并行计算结构,简化了机构的动力学模型,大大减少了在线计算时间,从而为机构的实时控制提供了有利条件.给出的动力学仿真实例证明了此方法的有效性.     

基于MATLAB的四杆/六杆颚式破碎机动态仿真

针对四杆/六杆颚式破碎机,建立其位置闭环矢量方程,给定机构的尺寸参数,经两次微分求出其加速度关系矩阵,编写各方程M函数,使用MATLAB中的Simulink仿真工具对其进行运动学、动力学仿真,求出各个构件的瞬时位置、速度和加速度。使用SimMechanics对机构的驱动力矩和各铰链处反力进行求解。结果表明,相比六杆颚式破碎机,四杆机构所需驱动力矩要小,摆杆铰链处反力和加速度值更小,摆杆角位移范围更大。     

平面闭链机构的缩杆邻接矩阵变更研究

针对平面闭链机构运动特性集成的问题,对闭链机构的设计过程、闭链机构运动链数目综合过程、缩杆邻接矩阵表示、去同构链、去呆链等方面进行了研究,以此获得了各杆件不同自由度的缩杆邻接矩阵数目表。通过对各缩杆邻接矩阵的比较,提出了少杆与多杆机构局部同构的识别方法,建立了平面闭链少杆机构向多杆机构的过渡过程,在此基础上给出了平面闭链机构的缩杆邻接矩阵变更过程。最后,运用平面闭链机构缩杆邻接矩阵变更方法对现有的飞剪机构进行了改进,验证了该变更过程的可行性。研究结果表明:平面闭链多杆机构可以由少杆机构添加若干杆件及运动副获得。     

闭链弓形五连杆越障能力分析与运动规划

为了考察闭链弓形五连杆的地形适应性,分析其越障能力并对越障过程进行运动规划。建立闭链弓形五连杆质心运动学分析模型,利用齐次变换推导了杆系质心坐标关于接触角和主动关节角的表达式。通过分析越障过程中的运动约束和几何约束,建立最大越障高度的数学模型,利用数值算法获得了最大越障高度随接触角和关节圆半径的变化曲线。根据质心可行域边界曲线内凹的特点,依照行程最短策略采用切线法来规划越障过程中系统质心运动路径,进而利用运动学逆解得到主动关节轨迹。通过样机试验验证了分析结果的正确性。     

描述变胞机构构态变换的一种新方法及其在构型综合中的应用

通过分析变胞机构的拓扑构态变换过程,提出一种能描述杆件减少过程中任意杆件合并的矩阵表达新方法,此方法不需要进行行列变换就可得到简洁的终态矩阵,且不影响原机构杆件的编号。以此方法为基础,阐述杆件数增加或不变的变胞机构拓扑构态变换的数学描述和实现方法。根据变胞机构构态变化规律和平面机构构型综合的拓扑相关性,提出基于变胞机构拓扑构态变换的数学描述进行平面闭链机构构型综合的新方法,给出单自由度闭链构型综合的实现方法和步骤,并以8杆机构构型综合为例进行应用说明。     

具有翻滚模式的可变形四足机器人结构设计与分析

为了适应崎岖与平坦共存的非结构环境,提出了一种具有翻滚运动模式的可变形四足机器人。对可变形四足机器人进行了结构设计,并采用几何法得到了其结构参数,进而对其进行了静平衡配重,使得圆形滚动体的质心与形心重合。滚动体的直线翻滚模型可以简化为由弓形杆件组成的平面开链连杆机构。当杆系展开为非圆形滚动体时,由杆系质心离开平衡点而产生的重力矩驱动滚动体。利用D-H法推导了非圆滚动体在一个准静态滚动周期中的质心表达式。将圆形滚动体的结构参数代入表达式从而得到其在准静态滚动过程中质心偏置的变化情况,验证了结构设计和静平衡配重的合理性。     

一种仿蛙跳跃机器人起跳加速性能的度量方法

针对仿蛙跳跃机器人在起跳阶段脚掌与地面之间的被动约束,提出了一种考虑脚掌欠驱动的起跳加速性能度量方法。建立了机器人的起跳分析模型,提出了用虚拟加速度和虚拟力矩来表达质心加速度与主动关节驱动力矩的关系,确定了适于冗余欠驱动机器人的动态可操作矩阵,给出了仿蛙跳跃机器人在给定方向质心加速性能的动态方向可操作度量指标。算例表明,当在不同位形输入恒定力矩时,质心在给定方向的瞬时加速度与动态方向可操作度的变化趋势一致,表明了提出的度量方法对质心加速性能指标的评价是可行的。     

球面两自由度冗余驱动并联机器人弹性动力学分析

建立了球面2-DOF冗余驱动并联机器人弹性动力学模型。将机器人系统的6个空间弯杆划分为6个子结构,考虑空间弯杆的弯曲、拉伸和扭转变形,基于有限元法求出了各子结构的弹性动力学模型;根据转动副的约束特点以及各分支与输出轴的变形协调约束关系,将子结构组装成3个分支并进行装配,得到系统的弹性动力学模型;将理论计算与有限元仿真得到的机构在初始位置时的固有频率进行对比,验证了系统弹性动力学模型的正确性。通过对比分析球面2-DOF非冗余与冗余驱动并联机器人输出端的动态响应,验证了冗余驱动的引入可以明显减小机器人输出端的最大弹性位移。研究结果为含有空间弯杆并联机器人的结构优化设计以及振动分析提供了理论依据。     

二自由度平面冗余并联机构杆件长度的误差分析

为获得平面冗余并联机构各杆件长度尺寸误差关系,进行了机构的位置建模,优化了误差尺寸。并联机构参考固高GPM2012机器人,选取顺时针构型,利用2条驱动闭链,建立了该机构的输出点位置方程组和误差方程,运用泰勒公式展开,获得误差项,定义了杆件误差影响系数,同时遍历工作空间,获得各杆件误差影响系数分布图,指出在并联机构中,各杆件基本长度相同情况下,不同的误差尺寸对输出位置影响不同。最后,采用优化设计的方法,给出了多种情况下的杆件误差比例关系。     

一种平面冗余机器人总性能最优的实时控制方法

提出了驱动集中布置概念冗余度机器人的结构设计方法,根据机器人逆运动学提出了基于加权M-P伪逆的预设空间降维法,并对加权矩阵进行了数值分析,通过改变加权矩阵对角线上元素的值进而改变瞬时速度,来改变各个关节角度的摆动幅度。对平面4R冗余机器人进行了动力学分析,将总能量、总力矩和总时间作为优化目标,利用粒子群优化方法对这三个指标同时进行优化,得到冗余度机器人总性能最优时的运动结束时间。进行了样机试制,实验结果证明所提方法可行。     

Driving Torque Reduction in Linkage Mechanisms Using Joint Compliance for Robot Head

The conventional linkage mechanisms with compliant joint have been widely studied and implemented for increasing the adaptability of the mechanism to external contacts. However, the analysis of how compliant joints in linkage mechanism can reduce the energy consumption isn't still studied deeply. In a mobile service robot head, the actions of blinking the eyes and moving the eyeballs are realized by the planar linkage mechanism respectively. Therefore, minimizing the driving torques through motion trajectories for the linkage mechanism, which will be beneficial to extend the working time for mobile service robots. The dynamic modeling of the linkage mechanism with springs-loaded compliant joint is established. An optimization procedure for obtaining the optimal parameters of springs is proposed for minimizing the max value of driving torques within a range of desired operating conditions. The Simulations prove that the linkage mechanism with compliant joints can effectively reduce the driving torques, and reduce the energy consumption consequently. The framework can also be applied in other similar applications to reduce the driving torque and save energy. Compared with previous efforts, this is the first attempt that the linkage mechanism with complaint joint is applied in the robot head for reducing the driving torque.     

欠驱动柔性机器人的动力学建模与耦合特性

运用有限元法,建立具有柔性杆的欠驱动机器人的动力学一般模型。以此模型为基础,分析系统的主动与被动关节的加速度耦合和被动关节与驱动力矩的动力学耦合效应,并针对欠驱动柔性机器人,提出柔性杆弹性变形分别与主动关节、被动关节动力学耦合的新指标。将欠驱动柔性机器人的被动关节加速度耦合和力矩耦合仿真结果与刚性系统相比较,在某个驱动器位置,柔性系统得到较大的耦合值,说明此时柔性系统更加有利于能量的传递,体现了杆件的弹性变形对系统动力学特性的影响。同时,数值仿真还表明这些动力学耦合指标对欠驱动机器人的结构设计、位形设计、驱动装置位置及系统控制都具有重要意义。     

复合地层中掘进的盾构机刀盘动态驱动转矩研究

复合地层掘进扭矩载荷突变是造成盾构机掘进过程中堵转停机的直接原因,考虑盾构机刀盘驱动变频调速电机特性、转矩传递过程中齿轮啮合刚度及齿侧间隙等非线性因素,建立冗余驱动的盾构机刀盘切削系统机电耦合动力学模型;针对典型复合地层地质条件,对盾构机在上软下硬地层掘进过程中刀盘驱动转矩动态特性进行仿真分析。结果表明,在软土体积百分比为70%复合地层中,掘进扭矩载荷显著高于50%软土百分比复合地层;盾构机在由50%软土百分比地层掘进进入70%软土百分比地层过程中,刀盘驱动电机负荷瞬间增大,甚至超出其工作极限,电机无法稳定工作,容易导致堵转发生,该结果可以部分解释我国昆明上公山隧道施工中频繁出现堵转事故的原因,为盾构机复杂地质条件下顺应性设计提供指导。     

冗余度柔性协调操作机器人的动力规划

以冗余度柔性机器人各杆件的最大动应力及系统最大动应力的分配为约束条件，提出了不同目标的改进的初始位形规划法和多目标规划法，对冗余度柔性协调操作机器人系统进行动力学规划，有效地降低了冗余度柔性协调操作机器人各杆件的驱动力矩、功率和最大动应力。同时，多目标规划法也降低了关节驱动力矩和系统位置误差的平均值。规划后的关节角加速度规律比较容易实现。     

一种具有部分运动解耦和符号式位置正解的空间2T1R并联机构拓扑设计与动力学建模

根据基于方位特征(POC)方程的并联机构拓扑设计理论及方法,设计了一种含一条冗余驱动支链(RRR)、零耦合度且部分运动解耦的全转动副组成的空间两平移一转动(2T1R)并联机构,并对该机构进行了拓扑结构分析;依据基于拓扑特征的运动学建模原理,给出了该机构的符号式位置正解;同时推导出了位置逆解,得到了动平台的雅可比矩阵,由...     

水下大臂展机械手动力学建模与仿真分析

面向水下环境大范围精细作业需求,对水下大臂展机械手系统进行动力学建模和关节驱动力矩求解分析。首先,基于D-H理论对水下大臂展机械手进行正、逆运动学分析,求解各连杆速度与加速度;然后,构建水下大臂展机械手的动力学模型,使用莫里森公式和D-H理论完善动力学模型中的水动力项,采用拉格朗日法求解整机的净浮力、惯性力、离心力、科氏力与末端负载力项,得出各关节所需驱动力矩和关节角、环境水流速度以及末端负载之间的函数关系;最后,针对具体作业场景,得出环境水流速度、目标负载转运下机械手各关节所需驱动力矩,为水下大臂展机械手设计提供理论支撑。     

基于并行计算的平面可调七杆机构动力学解析模型研究

基于运动学分析、凯恩动力学方程及数字-符号法,提出采用并行计算建立平面可调七杆机构动力学解析模型的方法,并研究了构件杆长及惯性参数变化对驱动力/力矩的影响.利用封闭矢量法对平面可调七杆机构进行运动学分析,得到各构件的速度和加速度表达式;将独立广义坐标、杆长及惯性参数作为符号量,其余参数处理为数值量,导出动力学解析模型的数字-符号表达式,并构造了解析模型的并行算法.由于动力学模型及实时代码优化是离线建立的,并且采用并行计算结构,减少了在线计算时间,从而为实时控制打下了基础.给出的仿真实例证明了此方法的有效性.     

基于AT89S52的车轮瞬时功率测量方法研究

研究测量工程机械车轮瞬时功率的一种新方法,对滚筒转速、扭矩以及转角加速度进行测量,降低了力矩不平衡对测量精度的影响;采用AT89S52单片机对JC传感器采集的转速与扭矩脉冲信号进行测量与分析,并通过RS-232送至工控机,减小了力矩不平衡给功率测量带来的误差,对车辆动力性能和柴油车加载减速工况检测有参考价值.