新型变形轮腿式移动机器人的运动学分析及设计

移动机器人作为智能勘探与侦察的自动化装备,在航天探测、军事侦察、抢险救灾等领域具有广阔的应用前景.兼具良好的机动性及越障性是移动机器人快速适应非结构化复杂环境的首要性能指标,结合轮式行进机构强机动性与腿式行进机构优越障性的变形轮腿式移动机器人受到普遍青睐.然而,现有变形轮腿式移动机器人在设计与优化方面仍存在变形形式过于复杂、设计方法缺乏理论依据等不足.针对上述问题,提出一种结构紧凑、操作简便的新型轮腿变换结构,借助电磁离合器分离运动的原理,通过改变轮-腿变形动力输入促使轮与腿相对运动,以曲柄滑块机构触发轮-腿结构径向扩展,完成由轮式变形为腿式的过程.定义变形过程中曲柄滑块机构的压力角为机动性指标、变形前后结构的展开比为越障性指标,进而开展变形结构的尺度综合,优化结果表明新型变形轮腿式移动机器人的展开比为1.92,可越过高度为150 mm的障碍物.基于优化后的尺度参数,建立变形轮腿式移动机器人越障过程的动力学模型,确定驱动电机参数,设计并制造物理样机.最终开展软件仿真与实验研究,仿真结果与理论分析结果一致,表明优化设计方法与动力学建模方法的有效性,实验结果证明所设计的变形轮腿式机器人具有...     

永磁电机不平衡磁拉力及脉动转矩相位调谐分析

为了揭示永磁电机的电磁激励规律，根据该电机的机械及电磁对称性，采用叠加方法研究了槽极组合对不平衡磁拉力及脉动转矩的影响，揭示了槽极组合与径向及切向磁拉力之间的刚体相位调谐规律，澄清了现有文献结论之间的分歧．解析结果表明：最大公因子大于1的槽极组合可有效抑制径向磁拉力．有限元仿真结果证明了理论分析的正确性．该研究提供了一种可有效预测和抑制磁致振动的相位调谐方法，同时为该类电机的动态设计提供了依据．     

一种三自由度冗余驱动并联模块的刚度分析

研究了一种三自由度并联模块的刚度建模方法.该模块采用冗余驱动技术,可满足搅拌摩擦焊作业高刚度、大工作空间/机座体积比要求.分析了该模块的结构组成与工作原理,并应用螺旋理论建立其刚度解析模型,所获广义雅可比矩阵与驱动/约束刚度矩阵物理含义清晰.借助有限元分析验证刚度解析模型的有效性,进而实现全域刚度性能预估,为该模块的刚度优化设计及物理样机开发提供了理论依据.     

2D-3D配准中的初始位姿估计方法

针对2D-3D医学图像配准过程中存在的初始参数变换范围小和配准对象单一等局限性,提出了一种基于参数映射和图像分割的初始位姿估计方法,扩大了三维物体空间参数的起始运动偏差范围,解决了骨科手术导航系统在配准过程中可估计参数少和多骨块图像配准难等问题.首先,使用区域生长算法对多骨块影像进行图像分割与感兴趣目标的提取,完成待配准目标数据的获取.其次,基于正交融合投影原理构建投影成像模型,将空间刚体变换参数分解到正侧位平面上,建立空间参数与平面参数间的映射关系.然后,将投影生成的正交双平面模板与对应目标图像进行匹配,并将得到的正侧位平面配准参数转换为空间参数,从而完成三维物体初始位姿的有效估计.最后基于颅骨、完整股骨和骨折股骨的CT数据对该方法进行验证,并与传统2D-3D图像配准方法进行对比研究.实验结果表明,所述方法可使5个空间参数的初始变换范围达到±30 mm或±20°,并且对在该范围内的不同研究对象都展现出良好的初始位姿估计效果.与传统图像配准方法相比,基于上述方法进行2D-3D迭代优化的整体配准时间平均缩短46.5%,单个平移参数配准精度最高提升69.2%,单个旋转参数配准精度最高提升9...     

新型双环减速器的设计与实验验证

设计了一种新型双环减速器,并对其进行相关实验验证。采用封闭图法确定减速器内啮合齿轮副的变位系数,进而完成了该型减速器的结构设计与运动学仿真。利用ANSYS的APDL编程语言建立了新型双环减速器样机的三维有限元模型,对其进行了模态仿真与接触分析。结果表明,系统低阶固有频率远高于输入转频,其低阶振型依次表现为高速轴和输出轴在垂直和水平方向的弯曲;在额定载荷下共有3对轮齿发生接触,且最大应力远低于齿轮副的许用应力。样机负载运行和振动测试结果表明,新型双环减速器能在单、双轴驱动2种工况下运行;单轴驱动时,可利用非180°相位差克服机构的运动不确定性实现正常运转,而双轴驱动方式下的动力学性能较单轴驱动为好;减速器的传动效率随负载的增大而增加,且具有良好的短期过载能力。实验结果验证了所提方法能用于指导该型减速器的设计。     

基于动态前向神经网络的弹性连杆机构的辨识

利用实验数据，建立了特定转速下弹性连杆机构振动主动控制系统的动态前向神经网络模型。辨识过程分两步进行，首先实现串并联辨识，在串并联辨成功的基础实现并联辨识。     

并联机构转动副滚动轴承静刚度参数辨识

以新型五自由度完全并联机构的一组滚动轴承支撑单元为研究对象,利用多体系统传递矩阵法、有限元法及实验法深入研究其静刚度预估问题,提出一种滚动轴承的静刚度参数辨识流程/方法.首先,将滚动轴承支撑单元等效为多柔体系统,借助传递矩阵法建立其静刚度参数与结构模态参数间的映射关系;其次,借助实验模态分析法确定滚动轴承支撑单元的固有特性,通过比对系统固有频率和振型,确定滚动轴承支撑单元的静刚度参数;最后,将辨识出的静刚度参数代入滚动轴承支撑单元有限元分析模型,将仿真结果与实验结果相比较,以验证静刚度辨识方法的有效性.研究表明,这种滚动轴承静刚度参数辨识方法精度较高,为含转动副并/混联构型装备的静刚度优化设计提供了理论依据.     

行星传动基本参数选择理论的再认识

对现有设计手册中的行星传动齿数选择方案进行了理论分析,指出国内各机械设计手册中普遍引用的高速行星传动齿数选择上“互质说”的不足.齿数互质能减小振动的说法没有充分的理论根据,利用该方法减振是不正确的.“行星轮相位调谐”理论有着严密的数学基础,基于该理论提出了以减振为目的的修改行星传动基本参数———齿数和行星轮个数的新方法.该方法有助于提高传动的动态性能.     

行星齿轮传动的共振失效概率

基于2K-H直齿行星齿轮传动随机模型,研究了行星齿轮传动的模态数字特征和共振失效问题．采用理论分析方法将行星齿轮传动的模态灵敏度与随机结构的模态数字特征计算相结合,给出了行星齿轮传动的3种不同振动模式固有频率数字特征的计算方法;基于相位调谐理论,将行星齿轮传动的共振划分为扭转共振模式、平移振动模式和行星轮共振模式,给出了由3种模式的共振导致的行星齿轮传动失效概率的计算方法及其动态仿真,并提出了基于相位调谐理论和共振失效概率计算的行星齿轮传动动态设计原则．     

三支链六自由度并联骨外固定支架刚度优化设计

传统的下肢骨折治疗方案普遍存在复位精度差、易造成二次创伤与并发症、延迟愈合等局限性．随着现代医学和机器人学的交叉融合，基于六自由度并联机构的微创骨折复位与固定技术得到广泛关注和应用．现有六支链并联骨折外固定支架普遍存在术前CT扫描易造成伪影、影响骨折复位轨迹规划的不足．针对上述问题，本文设计了一种三支链六自由度并联外固定支架3-SPRP．由于此支架用于人体下肢骨折的复位与固定，为了满足外固定支架的轻质量高刚度需求，本文开展了将支架质量与刚度均视为优化目标的多目标优化设计．首先，采用闭环矢量法建立3-SPRP并联外固定支架的位置逆解模型，基于瞬时旋量建立运动/力映射模型；其次，采用半解析建模法建立3-SPRP并联外固定支架的静刚度模型，对比理论刚度模型与有限元仿真模型在6个典型位姿下的各向线刚度，验证支架刚度模型的准确性；最后，以瞬时变形能为刚度指标，将3-SPRP并联外固定支架的刚度与质量均视为优化目标，开展多目标优化计算，定义最小距离法确定支架刚度与质量的最佳匹配关系．优化后整机质量约为0.889 kg，相较于优化前仅增加24 g，而各向线/角刚度值普遍提升50%左右，表明3-SPR...