特殊构型多维力感知机构理论与实验研究

发布时间：2020-05-30 09:43

【摘要】：本文以特殊构型的柔性并联多维力感知机构为研究对象,依次开展了柔性并联多维力感知机构特殊构型分析与设计、刚度与静力学建模、数据采集系统设计、样机设计、标定实验等工作,丰富了柔性并联多维力感知机构的构型设计,为柔性并联多维力感知机构的实际应用提供了新思路。首先,基于解耦特性的设计理念,对柔性并联六维力感知机构进行了构型设计,创新出一种具有结构解耦特性的8/4-4柔性并联力感知机构。在此基础上,以条件数作为选型指标,优化得到了由该结构所衍生出的各向同性构型与近奇异构型,并通过有限元分析,对其性能进行了验证。其次,基于伪刚体模型法,结合虚功原理、变形叠加原理和变形协调条件,对柔性并联机构的刚度模型公式进行了数学推导,得到了柔性并联力感知机构六维刚度的数学表达式。基于所推导的理论对之前得到的特殊构型柔性六维力感知机构进行了刚度建模,得到了其刚度与静力映射矩阵。对其进行了仿真验证并对其误差进行了分析。再次,针对柔性机构变形大的特点,将可重构思想与伪刚体模型法相结合,充分考虑外载影响下机构位姿变化对刚度产生的影响,提出一种基于可重构思想的刚度建模方法,通过迭代法将外载施加的过程以及机构变形的过程连续化,通过连续化之后的重构模型对其变形轨迹进行模拟,分析并推导出柔性并联力感知机构刚度及静力映射矩阵的可重构模型。最后,基于所提出的柔性力感知机构设计了一款电容式六维力传感器。对其电容阵列与测量模型进行了构建与推导,设计了基于该电容阵列的数据采集硬件系统。对传感器的整体结构及各个零部件进行了详细设计。基于最小二乘法,借助MATLAB与ANSYS,对所设计的电容式六维力传感器进行了虚拟标定。
【图文】：

图 1-2 一种 3 自由度柔性并联机构化法是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给进行优化的数学方法。由于柔性机构一体化的特点，使得采用机构的设计成为可能。拓扑优化常常与有限元分析联合仿真，形式。Murphy 和 Midha[7-8]提出一种基于伪刚体模型与图论的。Ananthasurush 等人[9-10]将以柔度作为优化目标的连续体结与柔性并联机构的设计相结合，在柔性机构的设计中，成功地柔度相联系，为柔性机构的设计提供了新思路。Mohui Jin 伪刚体模型法、有限元分析法、拓扑优化法相结合，综合出一联机构，如图 1-3 所示。Guo Zhan Lum[12]等提出了一种基于机构构型综合方法，设计出一种 3PPR 柔性并联机构并对其相。

图 1-5 垂直筋结构 图 1-6 十字梁结构 图 1-7 圆柱式结构图 1-8 积木式结构 图 1-9 平板式结构对于多维力感知机构的研究可追溯到上世纪 70 年代，起初，柔性力感知机构大多作为多维力传感器的弹性体研究。Watson 等[19]于 1975 设计了一种用于机器人腕部的三垂直筋式六维力感知机构，该结构构型简单，但在多维力同时加载的条件下，各方向之间的耦合误差较大。在此基础上，Kroll 等[21]于 1987 年对三垂直筋式六维力感知机构进行了改进，设计出一种耦合误差小、灵敏度高的四垂直筋式六维力感知
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH112

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本文编号：2687947