针对现阶段人工采摘苹果效率低、劳动强度大、采摘设备功能单一的问题,以TRIZ理论为基础,通过发明原理的启发,对苹果采摘机器人的末端执行器、运输装置、收集箱和其他结构进行了创新设计,设计出一款集采摘、收集、分拣功能于一体的机器人。建立采摘机械臂的D-H模型,运用Matlab对机器人的工作空间进行了分析;通过Adams对机器人采摘过程进行运动仿真,并制作1∶3实验样机,对各部分功能可行性进行了验证。结果表明,该机器人的各部分功能完善、设计合理、运行可靠、满足使用需求,为后续机器人的进一步研制和改进提供了理论支撑。

高分子材料领域的快速发展,促进了中低载荷齿轮传动中金属齿轮塑料化的趋势。塑料斜齿轮常被用于代替金属蜗轮与金属蜗杆进行啮合传动,但金属与塑料材料的各方面性能差异较大,塑料斜齿轮损伤形式复杂,其疲劳寿命难以预测。针对这一问题,基于Hertz接触理论和航天领域形成的相对坐标法,运用多体动力学软件RecurDyn建立金属蜗杆与塑料斜齿轮的刚柔耦合动力学模型,获得了塑料斜齿轮在对应加载工况下的瞬态应力值,作为Durability模块中塑料斜齿轮的载荷输入值;引用德国塑料齿轮标准VDI 2736中POM齿轮疲劳寿命与接触应力幅值关系,得到塑料斜齿轮材料的S-N曲线,并基于应力时间历程寿命计算准则,对塑料斜齿轮的疲劳寿命进行了分析。通过疲劳台架实验验证了该分析模型的准确性,为后续塑料齿轮疲劳寿命的研究提供了理论依据。

为了探究半球型锥齿轮参数变化对其系统动态特性的影响,基于集中质量法建立了该半球型锥齿轮副的动力学模型;基于高质量的六面体网格模型,采用刚柔耦合柔体动力学仿真分析了半球型锥齿轮的动态传动性能;分析了半球型锥齿轮尺寸、轴交角等参数变化对系统运动状态的影响。仿真结果表明,系统在不同参数条件下会导致传动准确性、平稳性和强度有规律的变化且互为负相关;半球型锥齿轮在分度圆直径为65 mm、相交轴角度为120°时综合性能最优。柔体动力学仿真分析为研究半球型锥齿轮的设计、制造以及实现齿轮传动最优化,提供了重要的参考价值。

针对现有的康复机器人在上肢重度偏瘫患者被动康复训练中存在的问题,提出了一种新型的7自由度上肢外骨骼机器人;设计了一种新型手部固定装置代替传统外骨骼的握把,可更好地实现重度偏瘫患者的腕部训练。根据外骨骼模型,使用Matlab建立了Denavit-Hartenberg(D-H)坐标系,对其工作空间进行仿真,验证了其工作空间满足设计要求,并使用Adams对外骨骼进行了动力学仿真。针对仿真中缺少患肢而导致仿真结果不符合实际的问题,采用了将患者大臂和前臂的质量添加到外骨骼大臂和前臂的质心处的新型设计方案,对该方案建立的模型进行负载特性分析,验证了机器人驱动选取的合理性。为实物样机的开发提供了理论基础。

下肢外骨骼康复机器人可以有效提高下肢运动功能受损患者的康复效率,减轻康复医师的工作量。设计了一款气动肌肉驱动的下肢外骨骼康复机器人。为探究外骨骼机器人运动状态和各关节运动机理之间的关系,采用拉格朗日方程对下肢外骨骼进行动力学建模,将建立好的虚拟样机模型导入Adams中进行动力学仿真,得到下肢外骨骼康复机器人在不同运动状态下各关节在运动过程中转矩的变化情况,对仿真数据进行分析,验证了数据的正确性,为下一步实物样机制作及驱动器的选择提供了理论依据。

针对汽车门锁单电机驱动实现电动开启及电动保险功能的需求,基于恒力弹簧弹性力不随行程变化而改变的特性,构造了协同电动开启和电动保险支链运动的新型双层柔顺间歇机构。正向驱动组件由撑杆通过杠杆支撑刚化拨杆拨动型面拨盘;反向驱动组件由拨杆受拨盘扭簧力阻力作用与撑杆脱离,拨杆绕杠杆中心旋转,顺应拨盘型面滚滑。该机构有初始支撑保持、刚性支撑拨动及柔顺避让适应型面多种运动模式,正反向转动实现双层多运动模式切换。该机构在门锁狭小空间内仿真,可实现多工况下开启机构与保险机构的确定运动与复位运动;比较拨杆与保险盘的接触力,使用恒力弹簧时最大值较小且变化幅度平稳,满足与其他支链兼容适应性。仿真结果表明,机构在30.8 ms内实现单独解保险,97 ms内顺序实现解保险及电动开启,68.9 ms内实现单独上保险。

以汽车门锁开启支链占用空间少、高效驱动和高端多功能为目标,对单回路空间机构进行构型综合,得到可实现电动开启的RRRSR机构;针对电动开启支链适应手动开启运动的兼容性需求,减少RRRSR机构运动副约束,得到RRSSR欠驱动机构,使得机构与其他支链的运动兼容;通过对该机构运动副增设扭簧力约束,保证了机构运动柔顺性和稳定性;以特定方向投影进行方程变量降维,使得所构建的空间RRRSR机构运动学方程变量最少,解析求得输入角和输出角关系式。仿真结果表明,具有力约束的汽车门锁RRSSR欠驱动机构既能完成电动开启过程,又能在手动开启工况下具有运动兼容适应性。

以国内某现役地铁齿轮箱实体为研究对象,构造计算机虚拟样机,并借助有限元软件构造含有柔性箱体的刚柔耦合模型,探讨了不同测点位置的振动信号特性,分析了断齿数量变化、转矩变化、转速变化情况下的齿轮箱箱体振动特性。结果表明,测点位置距离轴越近,对冲击能量越敏感,但相对的其频域特性模糊;断齿数量、转矩、转速的增大都会导致振动整体加剧,局部上又呈现出各自不同的特性。研究结果对地铁齿轮箱的仿真及试验研究具有一定参考价值。

关节电机是足式机器人核心部件之一,其动态响应直接影响着机器人的性能。其中的行星减速器属于精密机械传动机构,其传动精度与关键零件的变形密切相关。利用Adams建立了关节电机行星减速器刚柔耦合动力学仿真模型,模拟在启动过程中的瞬态输出特性。模型中对关键零件进行柔性化处理,设置各零件间的运动副约束,利用Hertz接触理论计算了行星轮与太阳轮、内齿圈的接触刚度系数。仿真结果表明,关节电机的动态特性与加速时间和惯性载荷密切相关,较大的加速时间与较小的惯性载荷有利于提高其动态性能。

汽车发电机单向滑轮组可以有效改善汽车前段轮系振动,从而提高轮系的使用寿命,已经得到了越来越多的使用。在对发电机单向滑轮组工作原理分析的基础上,根据某国产发电机单向滑轮组的工作机构,利用多体动力学仿真软件RecurDyn,构建了汽车发电机单向滑轮组台架试验虚拟样机模型;通过与试验数据进行对比的方法,验证了计算模型的有效性;利用该模型,可以实现其在工作时不宜进行测量的动态指标的计算;通过研究影响其承载特性的因素以及相互关系,为相关的设计改进提供了方向。研究结果对于指导产品设计、提高设计水平具有重要的作用。