空间开链和闭链连杆机构运动误差研究的微小位移合成法

本文提出了一种通用性强、适应面广和简单实用的连杆机构运动误差研究的微小位移合成法,该法直接对机构的各个运动参数误差和各个原始误差的微小位移矢量进行合成,建立机构的运动误差方程。用此法能方便地分析多种原始误差,如长度和角度结构参数(包括理论值为零的结构参数)的误差、运动副间隙和运动副轴线装配歪斜,引起的机构运动误差。与以前各种解析法相比,微小位移合成法无须对机构位移方程或机构约束方程求微分,从而避开了通过位移方程求解误差灵敏度的各种困难,特别当机构复杂和考虑运动副间隙时。本文应用微小位移合成法,建立了一般开链机构(机器人机构)和一般单环(多环)空间连杆机构的运动误差方程。另外就如何灵活选取参考坐标系、计算点和投影轴来简化所要建立的运动误差方程,作了一些讨论。最后,以空间RCCC机构,两环空间RSSR-SC机构和PUMA560工业机器人为例,演示了本文的方法。     

空间2-RSSS机构的误差分析

对低速运动带间隙空间2-RSSS机构的误差展开研究,首先建立了带间隙的空间2-RSSS机构的误差模型,并基于二力杆假设把约束副间隙误差转化成为杆长误差,在保持精度的条件下简化了误差模型.其次推导了敏度矩阵的参数化表示,并建立了该机构的误差仿真模型,求解了敏度矩阵的参量,该敏度矩阵解法结合了符号推导的规律性明显和数值计算结果精确的优势.最后基于数值仿真验证了近似敏度矩阵求解的有效性,并对该机构的误差进行了分析,给出了在确定加工精度条件下约束副间隙影响指向误差的关键参数以及这些关键参数的优化设计准则.      

转动副临界角分析及其在四连杆机构中的应用

滑动配合条件下,转动副（R副）通过接触面间的相对滑动提供一个转动自由度。由于接触面间的摩擦和间隙共同作用,R副会在一个小的摆角范围内发生自锁,这一摆角将在机构平衡时带来连杆长度误差和连杆偏角误差。本文指出了R副中临界角的存在,讨论了使得R副实现自锁的临界角范围,在考虑接触变形和不考虑接触变形2种条件下对临界角进行了计算,并以一平面四连杆机构作为应用算例,综合对比了铰链间隙、接触变形和摩擦因素对所在连杆机构输出精度的影响。算例结果表明,在一般的精度计算中铰链间隙及连杆弹性变形起主要影响作用,铰链本身的接触变形量可忽略。      

运动副间隙对卫星天线双轴机构动态特性影响

卫星天线指向精度要求高,天线驱动机构中有运动副的存在就不可避免地含有间隙,研究间隙等非线性因素对卫星天线驱动机构动态特性影响尤为重要。以某型卫星天线双轴驱动机构为研究对象,基于虚拟样机技术,采用非线性弹簧阻尼模型建立了间隙处的接触碰撞模型,同时采用库伦摩擦模型考虑运动副间隙处的摩擦作用。通过对虚拟样机进行动力学仿真,分析研究了运动副间隙及其大小、不同驱动力矩等因素对双轴驱动机构动态特性的影响规律。结果表明:间隙及过大的驱动力矩将使天线定位精度降低、稳定性变差。综合考虑各因素影响,对卫星天线系统进行结构优化,是提高天线定位精度的有效途径。     

复杂多环路连杆机构曲柄判定的分支图识别法

曲柄是连杆机构运动学分析的一个重要环节，其决定着机构的运动状态。现有的Grashof定理、N杆旋转定理可以很好地解决只含有转动副单闭环连杆机构的曲柄判定问题，但对于广泛应用于航空航天的复杂多环路连杆机构的曲柄判定，至今没有通用有效的解决手段。基于此，提出了复杂多环路连杆机构曲柄判定的分支图识别法。通过复杂多环路连杆机构内各个环路的杆件关系不等式，确定了其曲柄存在的第一个充分条件；结合连杆机构的运动分支识别图活动关节旋转范围确定了曲柄存在的第二个充分条件。在归纳了曲柄存在充分条件基础上，利用所提方法在平面4R、5R连杆机构做了实例分析，并与现有公认结果进行对比，验证了方法的有效性。在仅含转动副复杂多环路Stephenson六杆机构上进行了曲柄判定，证明了方法的可行性。      

空间大伸展并联机构的设计与性能分析

大型工件加工时执行机构伸展空间不足是目前航天制造业一个亟待解决的问题。为增大执行机构末端的工作空间，并为其提供稳定可靠的伸展基础，提出一类具备高刚度、大伸展特性的并联可伸展机构。重点针对并联可伸展机构展开设计与分析，基于图论进行可伸展机构构型综合，利用构型演化得到PRRR、PRRR-3R和PRRR-6R(P表示移动副，R表示转动副)这3种可伸展支链单元构型，在此基础上，对3种可伸展机构支链单元的伸展性能、刚度进行对比分析，最终优选出满足要求的PRRR支链单元配置成并联可伸展机构。该并联可伸展机构可应用于需要提供大伸展及大刚度的场合，实现对其他执行机构运动空间的拓展。     

空间双柔性机械臂刚-柔耦合建模及定标误差分析

为研究空间多自由度机械臂在作大范围运动时臂杆柔性和关节柔性对末端定标精度的影响,考虑柔性臂杆的横/侧向弯曲变形所引起轴向伸缩的二次耦合项,采用计入集中质量的转子扭簧模型描述关节的柔性效应;提出了基于臂杆柔性的D-H参数法,递推出空间机械臂的柔性机构运动方程;应用Hamilton原理建立了空间双柔机械臂的一次近似刚-柔耦合动力学方程。对空间六关节双柔机械臂末端定标误差进行仿真,结果表明：臂杆的柔性和关节的柔性在空间机械臂的大范围运动中是相互耦合的;在工程应用中,需要将抓取目标设定在机械臂定标误差较小的方向上,以提高抓捕和操作的成功性。     

构架式可展开天线自由度与奇异性分析

针对以四面体为基本单元的构架式空间可展开天线,基于螺旋理论分析了多环耦合机构3RR-3RRR基本单元及多单元组网的自由度,降低分析此构架单元过约束与奇异性的复杂性。首先,根据螺旋理论能同时表示运动副轴线的位置和运动副类型的特点,建立了3RR-3RRR单元各铰链的运动螺旋并求解出单元过约束数;其次,运用修正的Kutzbach-Grübler公式求解出此单元的自由度,并分析出在特殊位形下的奇异性和瞬时性;最后,多单元组网成一个复杂耦合机构,采用等效构型的方法简化组网结构可得此天线反射器收展所需自由度,再通过计算各花盘的相对间距来验证构架可展开天线的收展协调性。研究表明构架式天线反射器3RR-3RRR四面体单元为单自由度机构且含有4个过约束,便于机构的展开控制,在同步杆铰链处于特殊位形下有约束奇异。组网后反射器桁架系统是单自由度机构,机构在单驱动运动过程中可展开完全,实现构架可展开天线各杆件在工作时运动协调,在空间机构领域具有良好的应用性。     

考虑磨损后含间隙指向机构运动特性

为了提高空间指向机构磨损寿命的预测精度,克服传统静态磨损寿命预测的缺陷,计及间隙、摩擦磨损耦合因素,以实现机构关节动态磨损的精确预测,并对综合考虑间隙、摩擦磨损等因素的空间二维指向机构动力学问题和磨损问题进行了研究。采用牛顿 欧拉法,将间隙变量嵌入动力学模型,构建含间隙二维指向机构的动力学模型。基于Archards磨损模型,找到运动副接触面不同位置处的磨损深度,重构运动副表面形貌,并对磨损前后含间隙指向机构的动态特性进行分析,得到了关节处接触碰撞力和切向摩擦力的变化规律;采用动态拟合变量法和离散处理法分别对含间隙运动副内部间隙与接触力间、运行时间与相对滑移速度间的对应关系进行拟合,并建立了动态磨损数学模型;进一步预测了二维指向机构在跟踪模式、调姿模式下的运行时间分别为1259192h、76444h。研究工作为二维指向机构的本体设计、制造与应用奠定基础。     

构架天线四面体桁架单元精度分析与多目标优化设计

为了减小加工装配误差对天线桁架精度的影响,解决含随机变量的优化问题,综合考虑了杆件加工装配误差正态分布特性对精度的影响,通过最小势能原理求解得到了含杆件误差的构架天线桁架单元的平衡状态,采用蒙特卡洛方法对杆件误差变化对型面精度的影响开展了分析,得到杆件随机误差下的平均精度。为提高计算效率,建立了以杆件长度公差为设计变量、以桁架型面精度和加工成本为目标函数的代理模型,通过多目标遗传优化算法进行了公差优化设计,得到了代理模型误差小于8%的多组公差设计方案。其中平均精度最小达到了0.013mm,并且分析结果显示腹杆影响显著大于底杆。     

6杆并联机构运动学及杆受力的仿真

在给定的工作空间下,对6杆并联机构动平台的运动过程进行了仿真,用计算机程序模拟了动平台做圆周平动及定点摇动时的速度、加速度及各杆受力的变化情况.通过动平台的速度和加速度曲线,分析了影响动平台运动的准确性和平稳性的原因;通过6根杆的最大受力和动平台最大加速度之间的关系,表明并联机构在给定的工作空间中具有较好的操作灵活性,并可使动平台达到较大的速度和加速度.本文研究结果为并联机床的控制提供了必要的参考.      

考虑运动副间隙的剪式线性阵列可展结构动力学分析

为了精确研究剪式线性阵列可展结构的动力学性能,在该机构的运动副中引入间隙,通过含间隙转动副元素之间的运动规律建立了该运动副的运动学模型。基于Gonthier接触力模型和修正的Coulomb摩擦力模型分别计算了含间隙转动副元素之间的法向与切向接触力。进一步把该接触力转换到间隙运动副所联接的杆件与滑块的质心处,并将其集成到剪式可展结构动力学模型的广义力中,从而成功地将关节间隙效应引入到可展结构中。采用一种新的违约校正法直接对系统的坐标和速度进行修正,避免了数值结果的发散并可确保将违约控制在给定的精度范围内。通过数值分析预测了运动副间隙对剪式线性阵列可展结构动力学性能的影响,为研究可展结构的运动精度和机构设计提供了参考和依据,拓展了间隙碰撞模型的应用范围,有利于工程实际应用。     

空间机械臂间隙影响分析

摘要： 为考察关节间隙和柔度对机械臂动力学行为的影响,分别建立平面二自由度和空间7自由度的机械臂刚柔耦合模型,应用ADAMS 软件采用间隙铰非线性弹簧阻尼模型,考虑臂杆柔度和间隙对动力学性能的影响,对两种机构进行动力学仿真分析.分析结果表明：臂杆柔度对位移影响较小,但角速度、角加速度曲线随柔度增加波动显著增大;由于间隙的存在,关节碰撞导致机械臂运动精度、角速度与角加速度随间隙显著增大.     

含铰链间隙板式卫星天线展开精度分析

板式卫星天线展开机构在航天领域有着广泛的应用,其空间尺寸大,拓扑结构复杂,构件之间多用铰链联结,卫星天线对指向精度要求较高,应考虑铰链间隙对指向精度的影响。含铰链间隙的卫星天线展开机构的指向精度分析建模复杂、求解困难,为此提出了矩阵法分块建模的分析方法,将复杂的整机模型分解成锁定机构计算模型与2个单闭环机构计算模型,分别分析计算铰链间隙对其精度造成的影响,建立整机的计算模型并采用粒子群优化算法进行求解,得到某特定构型的板式卫星天线在极恶劣工况下展开的指向误差为0.067°。研究表明,建立的计算模型精度高,通过智能优化算法求解可以快速得到卫星可展开机构的指向精度极恶劣值,为展开机构的误差补偿设计提供参考。      

基于轨迹-速度双目标的平面连杆机构设计

提出了一种在轨迹-速度双目标设计要求下优化综合连杆连续轨迹生成机构的方法.利用机构执行末端速度运动规律寻求平面连杆轨迹生成机构插值节点,使所选取的插值节点具有了运动速度要求的信息.基于该方法建立连续轨迹生成机构优化综合模型,以对应轨迹点差值最小作为优化目标函数,采用BFGS(Broyden-Fletcher-Gddfarb-Shanno)拟牛顿非线性优化算法优化计算机构尺寸.在设定曲柄匀速转动前提下,优化计算出了符合轨迹-速度设计要求的平面连杆机构尺寸,实现了预期的设计目标.最后比较了四杆机构和五杆机构实现实例的优化结果,表明了该设计方法的可行性和有效性.     

基于冗余驱动的大姿态角并联机构优化设计

分析了并联机构的姿态空间,指出了影响姿态空间的因素为物理约束和奇异约束2类,并且分别从这2个方面给出了扩大姿态空间相应的解决方案.以3PRS(Prismatic Revolve Spherical)并联机构为例,提出了采用新的铰链形式和增加冗余UPS(Universal Prismatic Spherical)支链来增大姿态空间的方法,详细描述了动平台能够实现在各个方向90°偏转的机构设计过程,并基于遗传算法以机构整个姿态空间中的灵活度为目标对机构进行了优化.优化的结果通过仿真证实了可靠性,这对于进一步扩大并联机构的应用范围提供参考.      

厚板三浦折展机构的几何设计与运动分析

空间折展机构与一般运动机构不同，其对构件的几何形貌有着严格的要求。基于厚板折纸理论构造出两种三浦厚板折展单元——Bennett机构单元和球面四杆机构单元，在保证机构可以从展开状态运动到收拢状态且不发生物理干涉的前提下，以折展单元可无限次叠加组网为设计目标，分析构件几何参数应满足的约束条件，阐述模块化组成大尺度厚板三浦折展机构的原理和过程，提出Bennett组网和混合组网两种模块扩展方式。通过建立Bennett扩展模块和球面扩展模块的运动学模型，验证两种厚板三浦折展机构的运动等价关系。研究不同几何参数对机构折展率的影响规律，提出一种根据给定折展率要求对机构进行优化设计的方法，为厚板三浦折展机构的运动特性分析和几何参数优化奠定了理论基础。     

组合体机动中可变形桁架运动规划研究

目前对空间组合体中可变形桁架（VariableGeometryTruss,VGT）运动规划问题的研究集中在各级均为单自由度或离散二状态等简单结构的情形,未解决所有可调长度杆都能够自由运动的复杂结构运动规划问题。文章根据组合体的几何关系,建立了递推位姿运动学模型,再由自由漂浮系统动量守恒,建立了微分运动学模型。给出了单级VGT变化序列与运动时间分开设计的两步运动规划方法,并在优化目标中加入能量项,给出了多级冗余VGT的运动规划方法。最后通过仿真验证了算法的有效性,在算例中优化指标为J=0.8798,该方法对以VGT作为空间操作机构的组合体研究具有一定工程指导意义。     

3-PPP型柔性并联微定位平台的设计与分析

为解决现有空间平动柔性并联微定位平台（CPMS）结构布局不紧凑，且多轴驱动时各运动副的寄生运动相互累加，导致平台耦合误差增大的问题。首先，设计了一种基于柔性薄板的分布柔度式3-PPP型柔性并联微定位平台。其次，通过结构优化减小了平台的体积，并消除了支链中移动副寄生运动的累加现象。然后，基于柔度矩阵法建立了平台的输入刚度理论模型，并采用有限元仿真验证了理论模型的正确性；同时计算了平台的固有频率，并探究了其与柔性薄板尺寸参数之间的关系。最后，将结构优化前后的平台通过有限元仿真进行了对比分析。结果表明:结构优化后平台的体积减小了67%，且平台在单轴和多轴驱动时均具有更优的运动解耦特性和输入输出一致性。      

基于运动灵活性的蟑螂机器人机构参数优化

从仿生蟑螂机器人机构特点出发,基于运动灵活性,选择椭圆形身体布局,分别以单腿工作空间和整机雅克比矩阵的条件数倒数作为灵巧度指标,在兼顾运动灵活性和可靠性的基础上,对机器人机构参数进行优化配置,选择了最优的杆长比例.利用分析得出的优化尺寸建立ADAMS参数化仿真模型进行实验研究,仿真结果与理论分析相吻合,验证了优化配置的可行性和正确性,为样机的研制和机器人的驱动及控制等进一步研究奠定了基础,也为其他六足机器人的开发提供了参考.