中国机械工程 ›› 2023, Vol. 34 ›› Issue (21): 2577-2584,2591.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.21.006
汪启亮;刘通;李永起;魏健鸣;徐美娟;洪永烽
出版日期:
2023-11-10
发布日期:
2023-11-29
作者简介:
汪启亮,男,1985年生,讲师、博士。研究方向为柔顺机构、机构学。E-mail:wangqiliang@jxust.edu.cn。
基金资助:
WANG Qiliang;LIU Tong;LI Yongqi;WEI Jianming;XU Meijuan;HONG Yongfeng
Online:
2023-11-10
Published:
2023-11-29
摘要: 针对压电驱动柔性微夹持器在夹持过程中易产生旋转和滑移现象,不能很好地实现稳定夹持的问题,采用连续体结构拓扑优化方法设计了柔性微夹持器。采用固体各向同性材料惩罚模型拓扑描述方法,将输出位移与输入位移比最大、旋转角度最小、寄生位移最小和末端刚度作为优化目标。使用分层序列法将拓扑优化问题分为两个阶段,建立了柔性平行微夹持器的拓扑优化设计模型,用优化准则法求解得到低寄生位移柔性平行微夹持器,与未抑制旋转角度和寄生位移的微夹持器进行仿真对比,验证了算法的有效性。加工微夹持器并测得单位寄生旋转和相对寄生位移分别为0.001 384 27 mrad/μm和0.7%,具有较低的寄生位移和旋转角度,能够实现平行夹持,验证了设计的有效性。
中图分类号:
汪启亮, 刘通, 李永起, 魏健鸣, 徐美娟, 洪永烽. 低寄生位移柔性平行微夹持器拓扑优化设计[J]. 中国机械工程, 2023, 34(21): 2577-2584,2591.
WANG Qiliang, LIU Tong, LI Yongqi, WEI Jianming, XU Meijuan, HONG Yongfeng. Topology Optimization Design of Flexible Parallel Microgrippers with Low Parasitic Displacements[J]. China Mechanical Engineering, 2023, 34(21): 2577-2584,2591.
[1]余跃庆, 张亚涛, 张绪平, 等. 柔顺微夹持器理论分析与实验[J]. 农业机械学报, 2018, 49(11):393-398. YU Yueqing, ZHANG Yatao, ZHANG Xuping, et al. Theoretical Analysis and Experiments on Flexible Micro-grippers[J]. Journal of Agricultural Machinery, 2018, 49(11):393-398. [2]华洪良, 廖振强, 陈勇将, 等. 面向夹持器的紧凑型串联弹性力控驱动器设计与试验[J].农业机械学报, 2021, 52(12):426-432. HUA Hongliang, LIAO Zhenqiang, CHEN Yongjiang, et al. Design and Testing of a Compact Tandem Elastic Force-controlled Actuator for Grippers[J]. Journal of Agricultural Machinery, 2021, 52(12):426-432. [3]于靖军, 郝广波, 陈贵敏, 等. 柔性机构及其应用研究进展[J]. 机械工程学报, 2015, 51(13):53-68. YU Jingjun, HAO Guangbo, CHEN Guimin, et al. Research Progress on Flexible Mechanisms and Their Applications[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(13):53-68. [4]卢清华, 亢诗迪, 陈为林, 等. 基于柔顺铰链拓扑优化的桥式位移放大机构设计、分析与实验测试[J]. 机械工程学报, 2022, 58(11):57-71. LU Qinghua, KANG Shidi, CHEN Weilin, et al. Design,Analysis and Experimental Testing of a Bridge Displacement Amplification Mechanism Based on Topology Optimization of Flexible Hinges[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58(11):57-71. [5]杨群.一种夹爪平行移动的压电致动微夹钳的研究[D]. 重庆:重庆大学,2009. YANG Qun. Research on a Piezoelectric Actuated Micro-clamp with Parallel Movement of Jaws[D]. Chongqing:Chongqing University, 2009. [6]NUTTALL A, BRETELER A. Compliance Effects in a Parallel Jaw Gripper[J]. Mechanism & Machine Theory, 2003, 38(12):1509-1522. [7]CHEN W, ZHANG X, FATIKOW S. A Novel Microgripper Hybrid Driven by a Piezoelectric Stack Actuator and Piezoelectric Cantilever Actuators[J]. Review of Scientific Instruments, 2016, 87(11):135-143. [8]GOLDFARB M, CELANOVIC N. A Flexure-based Gripper for Small-scale Manipulation[J]. Robotica, 1999,17(2):181-187. [9]NAH S K, ZHONG Z W. A Microgripper Using Piezoelectric Actuation for Micro-object Manipulation[J]. Sensors and Actuators A:Physical, 2007, 133(1):218-224. [10]张宪民.柔顺机构拓扑优化设计[J].机械工程学报,2003,39(11):47-51. ZHANG Xianmin. Topology Optimization Design of Flexible Mechanism[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2003,39(11):47-51. [11]XIAO S, LI Y, ZHAO X. Optimal Design of a Novel Micro-gripper with Completely Parallel Movement of Gripping Arms[C]∥2011 IEEE 5th International Conference on Robotics, Automation and Mechatronics(RAM). Qingdao, 2011:35-40. [12]LIANG C, WANG F, SHI B, et al. Design and Control of a Novel Asymmetrical Piezoelectric Actuated Microgripper for Micromanipulation[J]. Sensors and Actuators A:Physical, 2017, 269:227-237. [13]朱本亮, 张宪民, 李海, 等. 基于节点密度插值的多材料柔顺机构拓扑优化[J]. 机械工程学报, 2021, 57(15):53-61. ZHU Benliang, ZHANG Xianmin, LI Hai, et al. Topology Optimization of a Multi-material Flexible Mechanism Based on Node Density Interpolation[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2021, 57(15):53-61. [14]占金青,彭怡平,罗震,等.考虑全局应力约束的大变形柔顺机构拓扑构型设计[J].农业机械学报,2021,52(2):408-415. ZHAN Jinqing, PENG Yiping, LUO Zhen, et al. Topological Configuration Design of Large Deformation Flexure Mechanism Considering Global Stress Constraints[J]. Journal of Agricultural Machinery,2021,52(2):408-415. [15]CHI I T, CHANTHASOPEEPHAN T , WANG D A. Design of a Parallel Gripper Based on Topology Synthesis and Evolutionary Optimization[J]. Journal of Mechanisms and Robotics, 2022(2):14. [16]LIANG J, ZHANG X, ZHU B. Nonlinear Topology Optimization of Parallel-grasping Microgripper[J]. Precision Engineering, 2019, 60:152-159. [17]BENDSE M P, SIGMUND O. Topology Optimization:Theory, Method and Applications[M]. Berlin:Springer, 2003. [18]SVANBERG K .The Method of Moving Asymptotes—a New Method for Structural Optimization[J]. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2010, 24(2):359-373. [19]赵清海,张洪信,蒋荣超,等.考虑拓扑相关热载荷的散热结构多相材料拓扑优化设计[J].中国机械工程, 2020,31(20):2403-2411. ZHAO Qinghai, ZHANG Hongxin, JIANG Rongchao,et al. Optimal Design of Multi-phase Material Topology for Heat Dissipation Structures Considering Topologically Relevant Thermal Loads[J]. China Mechanical Engineering, 2020,31(20):2403-2411. [20]SIGMUND O. A 99 Line Topology Optimization Code Written in MATLAB[J]. Structural and Multidisciplinary Optimization, 2001, 21:120-127. |
[1] | 胡波, 安锦运, 尹来容, 周长江. 小模数齿轮传动的时变啮合刚度计算方法[J]. 中国机械工程, 2024, 35(01): 74-82. |
[2] | 蒲志新, 郭建伟, 潘玉奇, 白杨溪. 2PPaPaR并联机构性能分析及优化设计[J]. 中国机械工程, 2023, 34(19): 2304-2312. |
[3] | 沈惠平, 李霞, 李菊, 李涛, 孟庆梅, 吴广磊. 约束支链或无约束支链对并联机构运动学与刚度性能的影响——以两个部分运动解耦的新型三平移并联机构的设计、分析及其优选为例[J]. 中国机械工程, 2023, 34(13): 1533-1549. |
[4] | 刘栋财, 董广宇, 杜玉红, 李文鹏, . 基于网格搜索算法的6-RUS并联机器人时间最优轨迹规划[J]. 中国机械工程, 2023, 34(13): 1589-1598. |
[5] | 杜中秋, 沈惠平, 孟庆梅, 李涛, 杨廷力. 运动解耦且正解符号化的8R两平移空间并联机构的设计与性能分析[J]. 中国机械工程, 2023, 34(12): 1425-1435. |
[6] | 孙亮波, 洪熙熙, 刘小翠, 刘新. 运动链基本环路集新的定义及其生成方法[J]. 中国机械工程, 2023, 34(09): 1061-1066,1076. |
[7] | 姬佳璐, 姚燕安, 张英, 兰国荣. 可重构闭链步行平台的设计与越障策略研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(05): 524-532,542. |
[8] | 陈鑫, 刘江南, 龙汪鹏, 吕剑文. 多交叉曲梁簧片柔性铰链的力学建模与性能分析[J]. 中国机械工程, 2023, 34(03): 269-276,286. |
[9] | 田启华, 舒正涛, 付君健, 杜义贤, 周祥曼, 田磊. 梯度空心多孔结构优化设计方法[J]. 中国机械工程, 2022, 33(23): 2867-2878. |
[10] | 孙鹏, 李研彪, 张聪, 单晓杭, 岳义, 韦宝琛. 基于运动性能分析的仿人机械臂尺度优化[J]. 中国机械工程, 2022, 33(19): 2331-2340. |
[11] | 刘文兰, 于海霞, 瞿怀宇, 马鹏飞, 高小钧, 王建森. 叠加Ⅱ级杆组的正铲液压挖掘机工作机构型综合[J]. 中国机械工程, 2022, 33(16): 1919-1927. |
[12] | 谢志江, 程清, 丁军, 何苗, 范乃吉, 吴小勇. 双支链六自由度并联机构尺度设计与性能分析[J]. 中国机械工程, 2022, 33(14): 1680-1690. |
[13] | 王一熙, 沈惠平, 陈谱, 吴广磊. 基于运动学、刚度和动力学性能的并联机构有序递进三级优化设计及其应用[J]. 中国机械工程, 2022, 33(13): 1560-1575,1621. |
[14] | 王仙业, 刘海涛, 黄田. 一种平面闭链腿式机构的尺度参数优化设计[J]. 中国机械工程, 2022, 33(11): 1261-1268. |
[15] | 黄凯伟, 沈惠平, 李菊, 朱忠颀, 杨廷力. 一种具有部分运动解耦和符号式位置正解的空间2T1R并联机构拓扑设计与动力学建模[J]. 中国机械工程, 2022, 33(02): 160-169. |
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