考虑柔性杆件和间隙球关节的RSSR机构的动力学研究
发布时间：2021-01-02 17:11
在机器人、航天、医疗等领域,随着工作环境和所处理的任务越来越复杂,对机械系统设计的要求越来越高,要求其实现的功能也越发强大,在设计制造时需要考虑的问题也越发深入,比如机构关节间隙,杆件弹性对机构精度影响等,所以本文对空间RSSR机构的动力学的研究在相关领域的机械系统设计上具有重要意义。含间隙空间机构相关课题的研究方向比较前沿,其中含间隙空间柔性机构的研究更是近年来新的研究方向,同时含间隙空间柔性机构的应用具有很高的工程实际价值。虽然近些年来对含间隙球关节的空间机构有了一定的研究成果,但是仍然有很多问题迫切需要解决。为了更好的对空间机构进行动力学分析,补偿输出误差,以便延长设备使用寿命,满足性能需求,本文从以下几个方面展开了研究。在不考虑球关节间隙的前提下,对空间RSSR机构各杆件弹性动力学进行了分析。对于空间RSSR机构构件的弹性变形,把机构中的杆件考虑为柔性构件,通过有限元分析方法用各单元广义坐标表示弹性误差,采用第二类拉格朗日方法并结合运动学约束条件来建立空间RSSR机构的弹性动力学模型。通过动力学方程求解和仿真分析,从而得到系统弹性振动位移随时间的变化规律。在实际情况中,球关节中...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
夹角为90°的RSSR空间连杆机构[7]
图 1-1 夹角为 90°的 RSSR 空间连杆机构[7]图 1-2 共轭凸轮式折入边装置上的 RSSR空间机构[7]在空间 RSSR 机构设计中，为了保证机构的轻量化和高强度的特性，所以连杆采用碳纤维材料，输入杆和输出杆件均采用铝合金材料。由于机器人的运动速度不断提高，机构自身的质量的轻量化以及机器人工作精度要求的提高，使得在研究机构动力学时，构件自身弹性不可忽略。因为轻质量且细长化的连杆大大提高了空间 RSSR 机构的柔性，使得机构在高速运动下出现强振动现象并引起运动配合失调的现象[8]。在这种高速运转的机构中，由于杆件弹性变形会影响空间 RSSR 机构输出，降低整个机构的精度。因此，研究空间 RSSR 机构在高速运转环境下的弹性形变就非常具有研究价值了。综上所述，空间 RSSR 机构在机器人、航天、医疗等领域有着广泛的应用，如图 1-1，1-2 所示，随着工业科学技术水平的提高，对机器人等包括速度和精度方面都有了更高的要求，影响其机构动力学特性的因素越来越复杂[9-11]，主要可分两个方面：（1）高速重载情况下，机构杆件的柔性化会导致机构弹性振动；（2）关节间隙的存在会导致运动过程中球头与球窝之间的碰撞振动[12]。国内外学者在上述两个方面做了许多工作，但都在单独的两个领域[13-18]，而对于
缺点在碰撞过程中产生的冲击力无法计算。此外，该方法需据各个状态的描述得到系统刚性微分方程，另外，方程对初值依赖程度高素导致计算结果不稳定，无法得到稳态解[33,34]。从以上对三种模型的分析中，我们可以得出最复杂模型为多状态连续接型，最简单的是连续接触间隙模型。连续接触间隙模型容易建模求解，但影响因素过多导致建立的模型较为简单，不够精确。三种模型各有自己的点，所以，我们在选取模型的时候要根据工作环境，建模需求视具体情况出最适合的模型。在含柔性机构的研究中，能否建立准确可靠的动力学数学模型也是至关的，大量学者为此也做出了大量的工作。目前采用较多的含柔性杆件机构力学模型主要有：(1)伪刚体模型法 伪刚体模型是一种将刚体机构理论应用在柔性机构上而将刚性机构理论和柔性机构理论联系起来的一种等效模型方法，它主要力和变形的关系来描述机构柔性部分的变形，其模型适用于非线性大变形统构件分析当中，如图 1-6 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]含关节间隙的Delta机器人弹性动力学与振动特性分析[J]. 郑坤明,张秋菊. 农业工程学报. 2015(14)
[2]RSSR空间机构的运动分析和优化设计[J]. 周啸,宋梅利,王晓鸣,姚文进. 机床与液压. 2015(09)
[3]3-RPS并联机构弹性动力学建模方法[J]. 落海伟,张俊,王辉,黄田. 机器人. 2014(06)
[4]大直径球头降低人工髋关节脱位率[J]. 韦金忠,凌义龙,张居适,许阳,魏平洋. 浙江创伤外科. 2014(04)
[5]二自由度球关节电机转角与球关节角映射研究[J]. 钟悦,刁燕,罗华,吴建顺. 机械设计与制造. 2013(10)
[6]3SPS+1PS髋关节并联仿生试验系统工作空间优化[J]. 程刚,于敬利,袁欣,庞宇松,徐鹏. 机械工程学报. 2013(23)
[7]关节叠片联轴器的空间RSSR机构的运动分析[J]. 申屠留芳,杨平,张玉露,孙成龙. 中国机械工程. 2012(20)
[8]车辆底盘球关节的设计研究[J]. 单红艳,姚斌,韩愈琪,张卫东. 农业装备与车辆工程. 2012(07)
[9]正常步态下髋关节运动数学模型[J]. 赵凌燕,刘秉昊,张立勋,李金. 哈尔滨工程大学学报. 2011(04)
[10]球面4R机构的输入输出方程研究[J]. 何士龙,王世恩. 科技情报开发与经济. 2011(02)
博士论文
[1]基于伪刚体模型和雅克比矩阵的柔顺机构拓扑优化方法[D]. 金莫辉.华南理工大学 2016
[2]考虑铰间间隙的机构动力学特性研究[D]. 白争锋.哈尔滨工业大学 2011
[3]基于动力学指标的Delta高速并联机械手集成优化设计方法研究[D]. 张利敏.天津大学 2011
[4]三自由度空间柔性并联机器人动力学研究[D]. 刘善增.北京工业大学 2009
硕士论文
[1]关节间隙对6R串联机构动力学特性及位姿误差的影响[D]. 张函.哈尔滨工业大学 2015
[2]金属对金属人工髋关节边缘接触效应[D]. 程倩.武汉科技大学 2011
[3]含间隙机构动力学仿真与实验研究[D]. 赵子坤.大连理工大学 2009
本文编号：2953315
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
夹角为90°的RSSR空间连杆机构[7]
图 1-1 夹角为 90°的 RSSR 空间连杆机构[7]图 1-2 共轭凸轮式折入边装置上的 RSSR空间机构[7]在空间 RSSR 机构设计中，为了保证机构的轻量化和高强度的特性，所以连杆采用碳纤维材料，输入杆和输出杆件均采用铝合金材料。由于机器人的运动速度不断提高，机构自身的质量的轻量化以及机器人工作精度要求的提高，使得在研究机构动力学时，构件自身弹性不可忽略。因为轻质量且细长化的连杆大大提高了空间 RSSR 机构的柔性，使得机构在高速运动下出现强振动现象并引起运动配合失调的现象[8]。在这种高速运转的机构中，由于杆件弹性变形会影响空间 RSSR 机构输出，降低整个机构的精度。因此，研究空间 RSSR 机构在高速运转环境下的弹性形变就非常具有研究价值了。综上所述，空间 RSSR 机构在机器人、航天、医疗等领域有着广泛的应用，如图 1-1，1-2 所示，随着工业科学技术水平的提高，对机器人等包括速度和精度方面都有了更高的要求，影响其机构动力学特性的因素越来越复杂[9-11]，主要可分两个方面：（1）高速重载情况下，机构杆件的柔性化会导致机构弹性振动；（2）关节间隙的存在会导致运动过程中球头与球窝之间的碰撞振动[12]。国内外学者在上述两个方面做了许多工作，但都在单独的两个领域[13-18]，而对于
缺点在碰撞过程中产生的冲击力无法计算。此外，该方法需据各个状态的描述得到系统刚性微分方程，另外，方程对初值依赖程度高素导致计算结果不稳定，无法得到稳态解[33,34]。从以上对三种模型的分析中，我们可以得出最复杂模型为多状态连续接型，最简单的是连续接触间隙模型。连续接触间隙模型容易建模求解，但影响因素过多导致建立的模型较为简单，不够精确。三种模型各有自己的点，所以，我们在选取模型的时候要根据工作环境，建模需求视具体情况出最适合的模型。在含柔性机构的研究中，能否建立准确可靠的动力学数学模型也是至关的，大量学者为此也做出了大量的工作。目前采用较多的含柔性杆件机构力学模型主要有：(1)伪刚体模型法 伪刚体模型是一种将刚体机构理论应用在柔性机构上而将刚性机构理论和柔性机构理论联系起来的一种等效模型方法，它主要力和变形的关系来描述机构柔性部分的变形，其模型适用于非线性大变形统构件分析当中，如图 1-6 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]含关节间隙的Delta机器人弹性动力学与振动特性分析[J]. 郑坤明,张秋菊. 农业工程学报. 2015(14)
[2]RSSR空间机构的运动分析和优化设计[J]. 周啸,宋梅利,王晓鸣,姚文进. 机床与液压. 2015(09)
[3]3-RPS并联机构弹性动力学建模方法[J]. 落海伟,张俊,王辉,黄田. 机器人. 2014(06)
[4]大直径球头降低人工髋关节脱位率[J]. 韦金忠,凌义龙,张居适,许阳,魏平洋. 浙江创伤外科. 2014(04)
[5]二自由度球关节电机转角与球关节角映射研究[J]. 钟悦,刁燕,罗华,吴建顺. 机械设计与制造. 2013(10)
[6]3SPS+1PS髋关节并联仿生试验系统工作空间优化[J]. 程刚,于敬利,袁欣,庞宇松,徐鹏. 机械工程学报. 2013(23)
[7]关节叠片联轴器的空间RSSR机构的运动分析[J]. 申屠留芳,杨平,张玉露,孙成龙. 中国机械工程. 2012(20)
[8]车辆底盘球关节的设计研究[J]. 单红艳,姚斌,韩愈琪,张卫东. 农业装备与车辆工程. 2012(07)
[9]正常步态下髋关节运动数学模型[J]. 赵凌燕,刘秉昊,张立勋,李金. 哈尔滨工程大学学报. 2011(04)
[10]球面4R机构的输入输出方程研究[J]. 何士龙,王世恩. 科技情报开发与经济. 2011(02)
博士论文
[1]基于伪刚体模型和雅克比矩阵的柔顺机构拓扑优化方法[D]. 金莫辉.华南理工大学 2016
[2]考虑铰间间隙的机构动力学特性研究[D]. 白争锋.哈尔滨工业大学 2011
[3]基于动力学指标的Delta高速并联机械手集成优化设计方法研究[D]. 张利敏.天津大学 2011
[4]三自由度空间柔性并联机器人动力学研究[D]. 刘善增.北京工业大学 2009
硕士论文
[1]关节间隙对6R串联机构动力学特性及位姿误差的影响[D]. 张函.哈尔滨工业大学 2015
[2]金属对金属人工髋关节边缘接触效应[D]. 程倩.武汉科技大学 2011
[3]含间隙机构动力学仿真与实验研究[D]. 赵子坤.大连理工大学 2009
本文编号：2953315
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