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                        六根繩索和彈簧并聯的新型驅動機構設計

                        添加時間:2019/07/18 來源:哈爾濱工業大學 作者:李崇慶
                        本文的研究對象為六自由度繩索彈簧并聯機構,對機構從構型方案、運動學、動力學、性能指標、參數優化設計等方面進行了分析和研究首先依據彈簧的布置方式和變形方式,對構型方案進行了分類討論,比較了各種方案的優缺點,確定了本文研究的構型方案。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          繩索驅動并聯機構是一種利用繩索代替傳統剛性連桿作為驅動元件來驅動并聯機構運動的一種新型并聯機構。不同于傳統的剛性連桿驅動并聯機構工作空間小、質量和慣量大的特點,繩索驅動并聯機構具有結構簡單、工作空間大、質量和慣量小的優點。但是由于繩索只能承受拉力而不能承受壓力,因此?自由度的繩索驅動并聯機構至少要由? + 1根繩索來驅動,這就導致需要額外的約束或者冗余驅動來實現機構的運動,會使繩索驅動力的協調變得復雜,增加了控制的難度。如果給繩索并聯機構的每條支腿的驅動繩索并聯彈簧,通過彈簧提供被動力,來使支腿既能夠輸出拉力,又能夠輸出推力,則只需要與自由度數目相同的驅動繩索即可完成對于機構運動的控制。

                          本課題的研究對象為由六根繩索和六個彈簧并聯作為六條支腿驅動的六自由度繩索彈簧并聯機構,主要研究內容如下所示:

                          對可能的構型方案根據彈簧的布置方式和鉸接方式的不同進行了分類,并對各種構型方案從實際應用、建模難度等方面進行了優缺點的分析,確定本文研究的構型方案,為了分析引入彈簧對于機構的影響,首先建立了單條支腿引入彈簧前后的模型,對單條支腿引入彈簧的影響進行分析,再建立六自由度繩索驅動并聯機構引入彈簧前后的模型,得到了引入彈簧對機構的約束、拉力和剛度的影響。

                          針對本課題的研究對象,給出其位置逆解、位置正解、速度分析、加速度分析、靜力學分析、單剛體動力學建模、驅動器動力學模型以及完整的動力學模型,為后續性能分析的數值仿真計算提供了理論基礎。

                          推導了機構剛度的完整數學形式,給出了機構性能的耦合度、繩索驅動力等評價指標,并分析了會對性能指標產生影響的因素,逐項分析了各個因素變化時,機構性能的變化情況,為優化設計提供了理論依據。根據前文已有的單個因素對機構性能的影響分析,以驅動繩索的拉力最大幅值最小、機構所占空間最小、中位點耦合度最小進行了基于遺傳算法的多目標優化設計,經過簡化之后,得到了機構的參數,并對最后的優化結果進行了分析。

                          關鍵詞:繩索彈簧并聯機構;剛度;遺傳算法;優化設計

                        Abstract

                          The cable-driven parallel mechanism is a new type of parallel mechanism that utilizes cables to replace the traditional rigid linkages as driving elements. Different from the traditional rigid linkage-driven parallel mechanism with smaller working space and higher mass and inertia, the cable-driven parallel mechanism has the advantages of simpler structure, larger working space, smaller mass and inertia. However, since the cables can only withstand tensile forces but cannot withstand pressure, the n-DOF cable-driven parallel mechanism must be driven by at least n+1 cables. This leads to the need for additional constraints or redundant actuation to implement the movement of the mechanism. This complicates the coordination of the driving forces and increases the difficulty of control. If the driving cable of each leg of the parallel mechanism is connected in parallel with a spring to provide the passive force, so that the leg can output not only the pulling force but also thrust, only the same number of cables as of the DOF of the mechanism can achieve the movements.

                          The subject of this study is a 6-DOF cable spring parallel mechanism driven by six legs which are composed of six cables in parallel with six springs. The main research contents are as follows:

                          The possible configuration schemes are classified according to the arrangement and the deformation of the spring.The advantages and disadvantages of various configuration schemes are analyzed from practical applications and modeling difficulties, and the configurationscheme tudiedinthispaperisdetermined.Inordertoanalyzetheinfluence of the introduction of the spring on the mechanism, models of the single leg before and after the introduction of the spring are established, and the influence of the spring introduced to a single leg is analyzed. Models of the 6-DOF cable-driven parallel mechanism before and after the introduction of the spring are introduced, and the influence of the spring introduced to the 6-DOF cable-driven parallel mechanism is obtained which includes constraint, tension and stiffness.

                          For the subject of this study, the inverse and forward kinematics, velocity, acceleration, statics, dynamics modeling, dynamics of the drivers and complete dynamics model are analyzed, which provides the theoretical basis for the numerical simulation.

                          The complete mathematical form of the stiffness of the mechanism is deduced. The coupling degree, the driving forces of the cables are given as the evaluation index, and the factors that affect the performance of the mechanismare analyzed item by item, which provides a theoretical basis for the optimization of the design. According to the analysis,the multi-objective optimization design based on the genetic algorithm is carried out in order that the maximum amplitude of the pulling forces of the driving cables is the smallest, the space occupied by the mechanism is the smallest, and the coupling degree of the middle point is the smallest.After simplification, the parameters of the mechanism are obtained and analyzed.

                          Keywords: cable-spring parallel mechanism; stiffness; genetic algorithm; optimal design

                           隨著科學技術的發展和生產力的提升,并聯機構越來越廣泛地應用于科學研究和工業生產的各種場合,已經得到了廣泛的認可。與串聯機構相比,剛性驅動的并聯機構具有剛度大、承載能力強、動態響應速度快、誤差小、精度高等優點[1],但同時也有工作空間較小、靈活性差、運動耦合等缺點[2]。

                          不同于傳統的剛性連桿驅動的并聯機構,繩索驅動并聯機構是一種利用繩索代替傳統剛性連桿作為驅動元件來驅動并聯機構運動的一種新型并聯機構,具有結構簡單、工作空間大、質量和慣量小的優點[3]。但是由于繩索具有單向受力的特性,只能承受拉力,因此?自由度的繩索驅動并聯機構至少要由? + 1根繩索來驅動[4]。這就導致需要額外的約束或者冗余驅動來實現機構的運動,會使繩索驅動力的協調變得復雜,增加了控制的難度。

                          如果給繩索并聯機構的每條支腿的驅動繩索并聯彈簧,通過彈簧提供被動力,來使支腿既能夠輸出拉力,又能夠輸出推力,則只需要與自由度數目相同的驅動繩索即可完成對于機構運動的控制。

                          本文的研究對象即為由六條繩索彈簧并聯支腿驅動的六自由度繩索彈簧并聯機構,課題來源于國家自然科學基金項目“剛柔混合冗余驅動廣義并聯機構變剛度低耦合重構機理研究”。機構的整體構型與傳統的剛性 Stewart 并聯機構類似,但是每條支腿均為繩索和彈簧并聯的結構,使其既具有繩索驅動并聯機構質量小的優點,又避免了冗余結構,而且改善了機構的拉力和剛度,從而提高了機構的穩定性和精度,在微動機構、醫療器械、載人航天、柔性裝配等領域有著良好的應用前景。因此,對于六自由度繩索彈簧并聯機構的研究有著重要的意義。

                          關于并聯機構的定義,本文中使用的是 J. P. Merlet 對并聯機構的定義:“一個并聯機構至少由兩個獨立運動的支鏈連接一個?自由度的末端執行器和一個固定平臺。末端執行器的動作由?個簡單的驅動器驅動完成[5]。”相比串聯機構,并聯機構具有剛度大、承載能力強、動態響應速度快、誤差小、精度高等優點,現已在許多工程領域中得到了廣泛的應用。到了 20 世紀 80 年代后期,并聯機構的優點逐步得到了認識和了解,越來越多的研究人員開始投入到對并聯機構的領域之中。到現在,并聯機構已經被廣泛地應用到運動模擬、并聯機床、精密定位、載人航天等各種領域。

                          基于并聯機構的運動模擬器,應用最廣泛的是飛行模擬器。加拿大的 CAE 公司是非常著名的飛行模擬器生產廠商,許多國家都使用了該公司制造的飛行模擬器,如圖 1-6 所示,是一個用來訓練飛行員的運動模擬器。并聯機床是并聯機構與機床技術相結合的產物,是并聯機構在工程應用領域最成功的范例。美國的Ingersoll 和 Giddings&Lewis 公司研究了“六足蟲”Hexapod 和“變異型”VARIAX并聯數控機床與加工中心,如圖 1-7 所示,在當時引起了極大的反響。

                          Stewart 并聯機構具有六個自由度,因此對支撐平臺的位置和姿態而言,Stewart機構可以在空間運動范圍內進行六自由度調節。因此,并聯機構作為精密調節機構在高精度調節領域同樣獲得了廣泛應用。上世紀 80 年代,美國宇航局將并聯機構與空間對接機構領域相結合,設計了新型 NDS 對接機構,滿足了新的國際對接系統標準(IDSS),融合了弱撞擊對接技術的最新發展水平。

                          繩索驅動并聯機構是一種用柔性的繩索代替剛性連桿作為驅動元件的并聯機構,兼具了并聯機構和繩索驅動的特點,使之既具有并聯機構高精度、高負載能力的優點,又具有繩索驅動機構重量小、結構簡單、工作空間大的優點。然而繩索驅動并聯機構也有其固有的單向受力的不足,繩索只能承受拉力而不能承受壓力,因此必須添加額外約束或是使用冗余驅動的方式,才能實現確定的運動。

                          繩索驅動并聯機構從剛性驅動并聯機構演變而來,從上世紀中后期才開始研究。1989 年,美國國家標準技術研究所(NIST)研究了一種繩索驅動并聯機構RoboCrane[12],該機構具有串聯子系統,用來改造造船業中的起重機,如圖 1-10 所示,之后還成功地將其應用于機械加工、月球探測、橋梁建造、海底打撈、廢物清理、石油油井滅火等方面[13]。

                          美國AugustDesign公司設計了具有三個自由度繩索驅動并聯機構SkyCam[14],它的末端為點狀,用于攝像系統的工作,如圖 1-12 所示,相機可以有較大的三個平動自由度的工作空間。德國弗朗霍費爾研究所研制出一種由 7 根繩索驅動的并聯康復機器人 String man[15],既實現了完全被動訓練模式,又可以使用自主訓練模式,還能在兩者之間切換和調節。

                        六根繩索和彈簧并聯的新型驅動機構設計:

                        沿X軸平動的支腿長度變化
                        沿X軸平動的支腿長度變化

                        沿X軸平動的繩索拉力變化
                        沿X軸平動的繩索拉力變化

                        沿Y軸平動的支腿長度變化
                        沿Y軸平動的支腿長度變化

                        沿Y軸平動的繩索拉力變化
                        沿Y軸平動的繩索拉力變化

                        遺傳算法工具箱
                        遺傳算法工具箱

                        遺傳算法的優化結果
                        遺傳算法的優化結果

                        James E. Gwinnett 的娛樂運動平臺
                        James E. Gwinnett 的娛樂運動平臺

                        Willard L.V. Pollard 的噴漆機器人
                        Willard L.V. Pollard 的噴漆機器人

                        Gough 的輪胎檢測設備
                        Gough 的輪胎檢測設備

                        Stewart 的飛行模擬器
                        Stewart 的飛行模擬器

                        目 錄

                          摘 要
                          Abstract
                          第 1 章 緒 論
                            1.1 課題研究的背景和意義
                            1.2 國內外研究現狀及分析
                              1.2.1 并聯機構的發展與應用
                              1.2.2 繩索驅動并聯機構的發展與應用
                              1.2.3 繩索彈簧并聯機構的研究現狀
                              1.2.4 國內外文獻綜述
                            1.3 課題的主要研究內容
                          第 2 章 構型方案和引入彈簧的影響分析
                            2.1 引言
                            2.2 不同構型方案的分析和選擇
                            2.3 繩索驅動并聯機構支腿引入彈簧的影響分析
                              2.3.1 六自由度繩索驅動并聯機構引入彈簧前的分析
                              2.3.2 六自由度繩索驅動并聯機構引入彈簧后的分析
                            2.4 本章小結
                          第 3 章 運動學和動力學
                            3.1 引言
                            3.2 參數化描述方法
                            3.3 運動學分析
                              3.3.1 位置逆解和正解
                              3.3.2 速度分析
                              3.3.3 加速度分析
                            3.4 靜力學和動力學分析
                              3.4.1 靜力學分析
                              3.4.2 動力學分析
                              3.4.3 驅動器動力學模型
                              3.4.4 系統的完整動力學模型
                            3.5 本章小結
                          第 4 章 參數優化設計
                            4.1 引言
                            4.2 機構剛度的完整形式
                            4.3 機構性能的評價指標
                            4.4 性能指標的影響因素分析
                              4.4.1 結構參數對性能指標的影響
                              4.4.2 繩索參數對性能指標的影響
                              4.4.3 彈簧參數對性能指標的影響
                            4.5 各個影響因素的作用效果的討論
                              4.5.1 剛度
                              4.5.2 固有頻率
                              4.5.3 耦合度
                              4.5.4 繩索拉力
                            4.6 結構優化設計
                              4.6.1 優化目標、優化變量與約束條件
                              4.6.2 問題的簡化
                              4.6.3 遺傳算法簡介
                              4.6.4 優化結果和分析
                            4.7 本章小結
                          結 論
                          參考文獻
                          哈爾濱工業大學學位論文原創性聲明和使用權限
                          致 謝

                        (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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