具有交互夹持力感觉的主从触感装置

面向血管显微外科手术，研究开发了一套具有交互夹持力感觉的主从触感装置．提出了主操作手的基本设计原则，并应用可操作性基本原理与方法进行机构构型综合，设计了主操作手的夹持力感觉装置；建立了主操作手的多体动力学模型，对运动过程中各关节动态特性进行仿真验证；基于夹持力的数学模型，分析了手指系统在不同模式下夹持力与运动关系．对整套系统进行性能测试与动物实验研究．实验结果表明：主操作手基于可操作性原理的综合构型具有较好的动力学特性，适合医生操作；手指的夹持力与两弹簧的弹力差成正比；该装置能够实现主从操作下的交互夹持力感觉．     

机械手夹持机构运动与控制的联合仿真

设计一种基于凸轮运动原理的简易机械手夹持机构,以期将其应用于机械臂的末端夹持装置和管道攀爬机器人的手爪。建立夹持机构的简化三维模型,在ADAMS环境下对其进行运动学与动力学仿真。通过ADAMS／Control接口模块,在Simulink中搭建夹持机构的联合仿真控制系统,利用三闭环PID控制方法进行机械系统与控制系统的联合仿真分析。仿真结果表明,所设计的夹持机构系统具有良好的动态响应和轨迹跟踪特性。     

重载工业夹持器约束建模与承载能力分析

针对重型工件的抓取操作问题,采用机器人抓取理论建立工件-夹持器系统的抓取模型,分析抓取模型求解中存在的静不定问题;基于准刚体模型,建立工件微分运动与接触变形之间的映射关系;分析夹持器在不同驱动形式和夹持过程中的约束特点,建立夹持器驱动关节和被动关节的力约束方程;引入关节刚度和接触刚度,建立工件-夹持器系统能量模型;采用拉格朗日乘子法建立静不定抓取力分析求解模型,给出了具有运动形式简单、约束复杂特点的一类夹持器的承载能力分析方法.以80t锻造操作机夹持器为实例进行了承载能力分析,仿真结果与实验结果相符合,验证了抓取力分析模型的正确性.     

基于Deform-3D仿真对钳口夹紧力的研究

经过对重载锻造操作机夹持力计算方法的分析,国内以往的夹持力计算通常是基于摩擦抓取理论来完成的。而在实际夹持工况中,操作机钳口在夹紧过程中使高温锻件产生塑性变形,即在锻件上形成钳口凸齿挤压的齿槽,相对于仅靠摩擦计算,通过凸齿与齿槽之间的作用来计算夹持力更加合理,且对实际工况更具有参考价值。主要通过Deform-3D软件来模拟分析钳口在挤压过程中的夹紧力,并分析出除钳口结构特征之外其他影响夹紧力的因素。利用模拟仿真,数据分析,可以较为方便地找出不同吨位操作机钳口夹出合适齿槽深度时所需夹紧力,为操作机机构设计提供理论依据。     

基于ADAMS的全断面竖井掘进机锥形刀盘载荷特性

全断面竖井掘进机锥形刀盘在竖井施工中具有导向性好、姿态调整方便等优点,滚刀作为竖井掘进机施工中最直接的破岩工具,获取其载荷分布规律对于竖井掘进机的刀盘刀具系统的合理设计和掘进过程中装备姿态的调整具有重要意义。本文基于ADAMS建立了全断面竖井掘进机锥形刀盘与岩体耦合模型,合理施加约束条件对正常掘进工况进行仿真,获取了竖井掘进机锥形刀盘刀具的载荷分布规律。结果表明：由于安装方式的不同,正滚刀所受到的侧向力和滚动力均大于中心滚刀,对正滚刀刀座与辐条之间的连接强度提出了更高要求;随着正滚刀在刀盘上安装半径的增大,其受到的垂直力也增大。中心滚刀所受到合力载荷稳定性较正滚刀明显较好,波动更小;随着滚刀在刀盘上安装半径的增加,滚刀所受到的合力载荷大小波动更大,载荷稳定性也更差。     

圆柱齿轮滚齿切削力的预测

切削力是滚齿工艺参数优化、刀具磨损预测和机床设计的重要依据. 针对圆柱齿轮滚齿加工,提出了一种基于实体建模技术的切削过程几何仿真方法,实现了未变形切屑的准确提取,进而计算出未变形切屑厚度. 基于微分离散思想,将滚刀刀齿切削刃离散成一系列微元切削刃,采用Kienzle-Victor力模型,建立微元切削力模型,进而构建整体滚刀切削力模型. 结合Kistler 9123C旋转测力仪和DMU50五轴立式加工中心进行滚齿切削力测量试验,试验结果表明,预测的滚削力在幅值和变化趋势上与试验测量结果吻合良好,验证了该滚削力预测方法的有效性.     

基于载荷分析的滚刀布局研究

针对硬岩掘进机滚刀载荷、刀盘转速以及刀具布局问题,综合考虑滚刀破岩运动形式和破岩机理,应用非线性有限元分析软件ABAQUS建立了滚刀回转切削模型.与线性切削模型相比,该模型可以更加真实地模拟滚刀工作情况,利用试验数据验证仿真模型的正确性与可行性.在此基础上,研究了滚刀侧向力与安装半径的关系,以及滚刀载荷、比能与操作参数的关系,分析了相邻滚刀在两种布置情况下的载荷变化.结果表明:滚刀侧向力随着安装半径变小而变大;滚刀的垂直力和滚动力随刀盘转速增加而增大,并且转速和切深之间存在最优的组合关系.最后,改进滚刀的安装形式;结合等磨损的原则,提出了内侧滚刀超前外侧滚刀的布置方法.     

基于ABAQUS的滚刀破岩参数对滚动力及比能的影响

目的研究滚刀破岩过程中,贯入度与滚刀所受平均滚动力之间的相应关系,分析刀间距、贯入度以及线速度三因素对比能的影响.方法利用ABAQUS有限元仿真软件,建立双滚刀直线切割大理岩的运动模型,模拟5种不同贯入度的滚刀破岩过程,得出不同贯入度条件下滚刀所受平均滚动力的大小;基于正交试验法,选出具有代表性的三因素三水平的参数组合进行仿真,通过极差分析找出不同因素变化对比能的影响规律.结果贯入度由4 mm增加到8 mm,滚刀所受平均滚动力近似线性增长,变化平缓;贯入度由8 mm增加到12 mm,滚刀所受平均滚动力增长幅度大,变化明显.正交试验中,刀间距对比能的均值极差为0.96 MJ/m~3;贯入度对比能的均值极差为0.41 MJ/m~3;线速度对比能的均值极差为0.26 MJ/m~3.结论在刀间距和线速度保持不变的条件下,滚刀所受平均滚动力与贯入度呈正比,而与s/p比值呈反比.通过分析刀间距、贯入度以及线速度变化对比能影响的主次性,得出刀间距影响最大,其次是贯入度,线速度影响最小.研究结果为提高滚刀破岩效率提供了参考.     

基于Elman神经网络的盾构滚刀磨损预测方法研究

为了解决盾构在复合地质掘进时滚刀磨损检测的难题,提出一种采用Elman神经网络预测盾构滚刀磨损状况的方法。利用滚刀换刀后正常磨损阶段的盾构掘进参数数据,建立Elman神经网络预测模型,根据依此模型得到的预测掘进速度与实际掘进速度的偏差来预测滚刀的磨损状况。文中分析了滚刀磨损影响因素,确定了Elman神经网络预测模型结构,给出了滚刀磨损判断依据。结合广州地铁五号线草淘区间左线盾构工程项目研究表明,预测结果与实际换刀情况相符。该方法建模简单,模型有效且适应性强,研究结论可为类似地质条件下的盾构滚刀磨损检测和更换提供有益的指导。     

真三轴状态下盘形滚刀破岩特性

为揭示真三轴状态下盘形滚刀的破岩特性,基于Drucker-Prager强度理论和CSM刀岩接触模型,借助表征中间主应力相对大小的系数β,建立了滚刀破岩理论模型和仿真分析模型,并利用仿真模型研究高地应力条件下岩石的破碎特征和滚刀受力特性.研究结果表明:岩石损伤破碎后,垂直力极值显著下降,滚动力和侧向力的波动区间变化不大,侧向力始终较小但方向不断变化,造成了刀具的振动与偏磨;随着中主应力效应的增强,破碎单元数量呈指数型减少,最大垂直力、滚动力和侧向力均呈指数型增加,其中侧向力的增加幅度最小;随着贯入度的增大,破碎单元数量和各向破岩力均增大,且增加幅度也越来越大,其中侧向力的增幅最大;现场实测值、理论计算值和仿真值三者之间的相对误差较小,验证了理论模型和仿真模型的可靠性.     

高平行度双稳态夹持机构设计与分析

采用刚体代替综合法设计了一个以高平行度的双四边形机构为提升平台的平面折展柔顺机构,克服了单平行四边形提升机构的缺点,提高了提升平台与地面的平行度。设计了一个双稳态夹持机构,通过限制夹持机构滑块的位移控制加持力的大小,以稳态二为工作状态保证加持力的稳定。最后通过辅助机构将两机构组合在一起,使一个驱动能够同时完成提升和夹持两个动作。建立了该机构的伪刚体模型,分析了该机构输入力矩与转角和位移之间的关系,并通过实例的理论计算和有限元仿真分析,验证了伪刚体模型的正确性和机构设计的实用性。     

基于侧倾中心的悬架导向机构模型

根据导向机构的功能,建立以侧倾中心理论为基础的导向机构传力模型,通过侧倾中心计算悬架导向机构传递给车体的力;建立悬架K&C特性修正模型,利用悬架K&C试验数据对车轮的位置和姿态进行修正.编写了14自由度整车模型的仿真代码,将所建立的悬架模型嵌入到整车模型中,建立某A级车的整车模型,通过对比仿真结果与场地试验数据,验证了模型的有效性.对此模型进行了操纵稳定性工况的仿真,以方向盘角阶跃输入工况为例,分析了导向机构模型对整车运动的影响.结果表明:通过仿真可以得到悬架K&C特性参数中对整车运动影响较大的参数及其影响趋势,从而对汽车开发过程中的悬架结构参数的确定起到指导作用.     

狭窄空间管道外壁检测机器人结构设计

为实现替代人工方法检测过热器管道外壁的目的，本文基于对爬管爬壁机器人的结构原理的分析，考虑到过热器管道空间狭窄形状复杂，设计了一种环抱式管道检测机器人。本文阐述了狭窄空间管道外壁检测机器人工作原理，设计了机器人的机械结构，分析了机器人手臂和手指的夹持力，分析了机器人的爬管升降力，并利用有限元仿真分析对其进行验证。研究结果表明：该结构设计合理，满足所需运行条件要求。     

数控机床换刀机构模糊故障树分析与诊断

在分析模糊控制方法与故障树推理方法的特点和互补性的基础上,设计了基于模糊控制与故障树相结合的数控机床换刀机构故障诊断数学模型。将模糊控制方法融入故障树推理的故障分类、故障发生概率计算及故障原因查询中,较好地解决了数控机床故障诊断的快速与准确问题。最后通过对数控机床换刀机构故障实例的诊断仿真,验证了该算法的有效性。     

基于生物力学相容性的微创手术钳优化设计

针对微创手术钳因生物力学相容性差导致过度夹持的现象,建立了传统微创手术钳头的力学模型,并利用解析方法构建了手术钳的手柄握持力与钳口夹持力的特性关系。基于渐开线特征,提出并设计了具有渐开线形导向槽的新型手术钳头,分析了其夹持力的输出响应。利用NiTi记忆合金的超弹性特征,设计了具有特殊应力松弛特性的恒力控制单元,并对改进后的新型微创手术钳头进行有限元数值仿真和试验验证。结果表明,钳口夹持力与握持拉力成线性正比关系,并且当握持力进入饱和范围时,夹持力出现应力饱和响应,实现了对人体组织的夹持保护。研究结果使得微创手术钳在夹持不同特性的组织时均可保证夹持力不超出安全值,这对提高微创手术器械的生物力学相容性以及微创外科安全性具有临床实践意义。     

滚刀滚动切削岩石的数值及试验研究

为了研究滚刀滚动切削岩石的性能,合理简化盘形滚刀滚压破岩过程,采用颗粒离散元法分别建立了考虑摩擦力的滚刀滚动切削有、无节理岩体模型,分析了滚动切削模拟过程中切削力、裂纹发育、岩石破碎形态的变化规律.利用滚刀回转切削试验台进行了破岩试验,得到切削力随工况变化的规律,验证了仿真模型的准确性.研究结果表明:对无节理岩体,提高贯入度会增加主干裂纹深度和破碎面积,提高切削速度会增加法向力,而对滚动力影响不大;对含节理岩体,岩体节理强度越强则主干裂纹越深,比能耗越高;岩体的节理倾向会对破岩比能耗产生一定的影响,正向倾角切削效率高于逆向倾角约12%;节理倾角越小,正、逆向节理倾角破岩比能耗差值越大;合理安排刀盘正反转可提高破岩效率.     

欠驱动灵巧手的优化设计及仿真分析

传统欠驱动机械手的运动空间相对固定、操作功能单一,对抓取物没有较强的自适应性,为此设计一种新的连杆式欠驱动灵巧手机构,并进行设计优化和仿真抓取实验。阐述了该灵巧手的整体机构设计及工作原理,其可实现包络和指尖两种抓取模式。根据手指的几何尺寸采用协同耦合方式设计手掌尺寸,利用可变手掌协同手指抓取,提高了灵巧手在抓取形状复杂和不同尺寸物体时的自适应性。基于虚功原理建立灵巧手单指各关节的接触力模型,针对抓取过程中存在的抓取力不足及抓取不稳等问题,使用NSGA-II优化算法对单指机构的杆长进行尺度综合。利用建立的虚拟样机进行仿真抓取实验,结果表明,该灵巧手具有较强的自适应性,能够稳定抓取多种形状和尺寸的物体。     

微创手术钳柔顺拓扑优化设计

传统的微创手术钳是带有运动副的刚性构件,结构复杂且夹持力呈非线性变化,容易造成器官组织过压损伤。基于免装配的柔顺连续体拓扑设计,以柔性部件的整体弯曲作为目标函数,以保持有效夹持刚度作为附加约束条件,建立双工况优化模型。基于变密度插值模型和优化准则方法进行迭代求解,得到较为理想的手术钳柔性拓扑结构,并对优化后结构进行有限元数值分析。结果表明,钳头结构末端的最大位移和夹持刚度均满足手术钳使用要求,且具有力-位移线性响应关系。该研究简化了手术钳结构,有利于改善操作手感和夹持效果,为拓展柔顺机构在微创手术临床实践中的应用提供了思路。     

盾构滚刀磨损的多元非线性回归预测

为了解决硬岩地层盾构滚刀的磨损检测问题,提出了一种基于多元非线性回归预测模型预测滚刀磨损的方法.利用滚刀正常磨损阶段的盾构掘进参数数据建立回归预测模型,根据依此模型预测的掘进速度与实际掘进速度偏差来预测滚刀的磨损状况.结合盾构工程项目研究结果表明:预测模型是正确的,预测结果与实际换刀情况是相符的,预测方法是有效的.研究结论可为类似地质条件下的盾构滚刀磨损检测和更换提供有益的指导.     

不同地应力下TBM盘形滚刀破岩特性

根据Mohr-Coulomb准则分析岩石强度与地应力的变化关系,对不同地应力下盘形滚刀破岩载荷模型进行修正;以锦屏二级水电站TBM掘进现场实测的数据为依据,建立有初始地应力和无初始地应力下盘形滚刀破岩仿真模型,并进行无初始应力滚刀破岩试验,研究盘形滚刀破岩载荷特性及岩石破碎特征。研究结果表明:随着地应力的增大,三向力载荷增大;在各个贯入度下,初始应力为28~36 MPa时与0 MPa时相比,垂直力和滚动力的增加幅度较大,增大幅度可达到70%以上,侧向力增加幅度最小;随着初始地应力的增加,滚刀总破岩量减少,破岩能耗上升;三向力理论计算值与仿真值吻合较好,相对误差范围在10%~21%之间;无初始应力下的破岩试验在一定程度上验证力学模型和仿真结果的正确性。