绳驱动并联清洗机器人绳索张力优化

将绳驱动并联机器人应用至外墙清洗领域，并对清洗机器人的动力学建模及张力优化进行深入研究。首先，确定机器人的构型为完全约束绳驱动并联机器人，并建立了考虑绳索弹性的动力学模型；其次，针对该类型绳驱动并联机器人绳张力解不唯一问题，提出将相关力改进的最小方差作为优化目标对绳索张力进行优化。最后，通过Simulink-Adams进行联合仿真验证。结果表明，优化后的绳索张力光滑连续变化。系统开环的情况下，圆形轨迹最大误差均值为0.071 m，终点误差均值为5.15 mm；直线轨迹最大误差均值为9.25 mm，终点误差均值为3.5 mm。解决了完全约束绳驱动并联机器人绳索张力不唯一、不连续问题，并为控制策略研究提供理论依据。     

四自由度绳驱动刚柔混合式波浪运动补偿机构的动力学建模

为了避免船舶过驳吊运过程中货物与甲板间的碰撞,提出一种安装在船用吊装设备的四自由度绳驱动刚柔混合式波浪补偿运动机构。首先,设计该波浪运动补偿机构的实验装置,基于螺旋理论验证该波浪运动补偿机构的可行性。然后,基于代数法建立该波浪运动补偿机构的位置正/反解模型,并推导该补偿机构结构的运动学模型,最后,基于牛顿-欧拉法建立该波浪运动补偿机构的系统动力学模型,运用仿真软件对所推导的数学模型进行验证。研究结果表明:该波浪运动补偿机构的位置正/反解的误差数量级为10-5 mm;运动学和动力学模型的MATLAB数值模拟结果与Adams虚拟样机的结果基本吻合,最大相对误差为理论值的1.6%,在可接受的范围内,表明本文提出的四自由度绳驱动刚柔混合式波浪运动补偿机构能够实现主动波浪运动补偿。     

助老助残轮椅用绳传动机械臂结构设计

针对传统轮椅机械手驱动结构复杂并且体积、自重偏大等问题,基于套索式柔性绳传动机构原理,设计一种助老助残轮椅用的绳传动机械臂结构;通过对轮椅机械臂的结构以及机械臂绳传动原理进行描述,建立机械臂的运动学方程,利用MATLAB软件求解该绳传动机械臂的运动仿真模型与工作空间进行运动学分析,并研制原理样机进行相应的实验验证。结果表明,通过该绳传动方式,可以将驱动电机安装在机械臂的臂体之外,利用绳索进行动力传递,从而实现分离驱动,并简化机械臂的结构,减小机械臂的体积、质量和能耗。     

绳驱动仿腕关节绳拉力分布和可控刚度特性分析

为模拟人臂腕关节的结构功能,提出了有别于传统仿生关节的3自由度绳驱动并联结构,即通过球副连接动平台与静平台实现腕关节的转动功能。考虑绳驱动的冗余特性和绳索的单向受力性,对机构的位姿结构进行静力学分析,获得绳索张力表达式,同时建立绳张力分布优化模型,通过遗传算法得到绳拉力分布情况。通过建立运动学和静力学方程对机构进行受力分析,并引入线矢量和微分变换的方式,推导出机构的固有刚度和可控刚度,建立了腕关节静态位姿结构刚度模型,并给出刚度评价指标。分析绳索张力与机构刚度的关系和可控刚度对整体刚度的影响,数值仿真分析得出腕关节机构的位姿结构刚度在工作空间中的分布规律。     

绳驱动并联吊装机器人绳索张力优化

将绳驱动并联机器人应用于吊装领域,对运动学正解模型和绳索张力优化算法进行深入研究。首先,确定该吊装机器人为冗余约束绳驱动并联机器人,建立机器人的运动学和动力学模型。其次,针对冗余约束绳驱动并联机器人的绳索张力不唯一、不连续问题,分别运用张紧力方法、非线性规划方法和改进二次规划方法对绳索张力进行优化,确定出最佳的张力优化算法。在此基础上,进一步求得此类型绳驱动并联机器人的工作空间。最后,通过MATLAB进行仿真验证。仿真结果表明,相比于另外两种方法,采用改进二次规划方法求解的绳索张力优化解在张力上限和张力下限之间光滑连续变化,说明改进二次规划方法求解绳索张力的合理性和连续性。     

绳牵引并联机器人悬链线优化解算方法

针对大跨度绳牵引并联机器人难以建立精确动力学模型的问题,该文提出一种绳索非线性悬链线模型降维优化解算方法。该方法首先通过柔索微分单元和积分法推导绳索悬链线模型的差分方程并确定其边界条件;根据系数矩阵行列式为零的方法对悬链线模型的超越方程进行降维;进一步通过换元法和Taylor展开方法求出悬链线模型的解析解;接着基于Newton迭代方法得出悬链线模型的精确数值解,分析数值解的取值范围确定其正确符号;最后,对降维优化解算方法的合理性和有效性通过实例计算进行了验证。研究成果可为绳牵引并联机构的动力学精确建模和稳定运动实时控制提供理论依据。     

电动力绳系离轨系统中绳索动力学研究

基于电动力绳系离轨系统动力学建模问题,提出了一种考虑绳索弯曲变形特性的柔索模型.该模型可以反映在电动力拉力和重力梯度力作用下绳索的弯曲变形情况,以及绳索变形后对感应电动势和电动力拉力的影响,利用算例比较了柔索模型和其他常用哑铃模型的差异.同时,借鉴海底拖曳系统中绳索的建模方法,建立反映电动力绳系在离轨过程中振动情况的绳索振动模型.仿真结果表明,横向振动是电动力绳系在离轨过程中的主要振动形式.     

基于SLIP模型的液压驱动单腿机器人竖直跳跃控制

针对液压驱动足式机器人竖直跳跃控制,提出一种基于SLIP竖直跳跃动力学模型实现液压驱动机器人竖直跳跃的控制策略。分析SLIP竖直跳跃动力学模型并求解其动力学微分方程得到质心运动轨迹,将关节型单腿机器人竖直跳跃髋部的运动轨迹映射到SLIP模型质心的运动轨迹,通过机器人运动学逆解得到机器人关节运动轨迹,以此驱动关节运动;同时建立关节型单腿机器人竖直跳跃动力学方程和液压驱动执行器动力学方程,应用MATLAB/Simulink软件进行动态跳跃控制仿真并进行样机试验。研究结果表明:基于SLIP竖直跳跃动力学模型的控制策略可实现液压驱动单腿机器人持续稳定的竖直跳跃,为足式机器人动态步态行走控制研究提供参考。     

1R2T绳索牵引并联康复机器人绳索弹性研究

该文以平面三自由度(1R2T型)绳索牵引康复机器人为对象,分析了绳索弹性和绳索拉力对骨盆(动平台)静态刚度的影响,发现不同绳索弹性时,相同绳索拉力对动平台静态刚度影响不同。利用ADAMS软件对绳索拉力和绳索刚度的影响情况进行了机构仿真,发现绳索弹性对系统静态刚度的影响比绳索拉力大。分析并仿真了系统受外界干扰后的振动状态,结果表明,增大绳索拉力可以提高系统的抗干扰性。建立了考虑绳索弹性的动力学方程,以期望轨迹通过逆动力学方程计算出的绳索拉力作为系统动力学的输入,用ADAMS和MATLAB进行系统动力学仿真和实验,结果表明,绳索的弹性使骨盆的实际运动范围变小,且出现了位姿误差,距起始点越远该误差越大。     

基于部分平衡的曲柄滑块机构DFC方法

提出了一种基于部分平衡的机构设计理论方法,用来提高由伺服电机驱动的单自由度闭链机构的运动学和动力学性能.该方法通过对初步设计好的机构进行惯性力部分平衡而使其质量重布,以优化系统的动力学模型,从而有利于控制器的设计.以曲柄滑块机构为例,应用所提的方法进行设计,给出了仿真计算结果.仿真结果验证了所提出方法的有效性.     

一种新型大过载飞行模拟器运动仿真分析

提出一种新型的基于绳牵引并联机器人技术的飞行模拟器,针对其大过载机动特性进行仿真分析。首先根据绳牵引并联机器人理论,设计了9根绳牵引具有6自由度的运动平台;通过建立平台动力学模型,设计了对干扰项进行补偿的前馈PD控制率;其中前馈项主要确保动态过程中绳索处于张紧状态。进一步给出了系统控制稳定性分析;并以大过载机动和单自由度俯仰振荡运动为例进行了数值仿真。分析结果表明,在大过载机动情况,瞬时正加速度超过4 g,平台位置能够迅速衰减并稳定;基于绳拉力前馈,可以避免绳索松弛,能够满足飞行员过载训练;俯仰运动也具有较好的跟踪特性。研究成果可为进一步分析工作空间、动态特性及控制稳定性等奠定基础,为绳牵引并联支撑的飞行模拟器设计提供指导与依据。     

船坞牵引(定位)小车-缆绳-船舶系统动力响应分析

船坞引船系统作为船坞的重要组成部分,其性能直接关系到船舶能够安全进出船坞。基于MMG模型理论,构建了船坞牵引(定位)小车-缆绳-船舶系统的动力学方程。通过数值计算,模拟了船舶在不利海况条件下进坞运动过程的动态响应,以及缆绳张力的变化情况。重点研究探讨了牵引缆绳长度、牵引绞车启动加速时间以及牵引速度等因素对牵引缆绳受力的影响。仿真结果表明,牵引缆绳张力作为船坞引船系统的主要外载荷,一方面为船舶进坞运动提供动力;另一方面为限制船舶横向位移提供主要作用。适当加长缆绳长度、延长绞车启动加速时间以及降低绞车牵引速度,可显著改善引船系统所受载荷情况。     

水下拖曳系统缆–船耦合运动模拟

为进一步提高水下拖曳系统在不同情况下的预报精度,将水面拖船和水下拖缆视为一个相互影响的整体进行考虑,计入缆–船耦合影响及拖船自身机动影响,采用数值仿真方法探讨整个系统在桨、舵操纵等机动情况下的运动响应特征.采用经典的MMG模型和集中质量法分别描述水面母船的操纵运动和水下拖缆的动态运动,在此基础上建立船–缆耦合运动及动力边界条件将其耦合起来以形成整个系统的运动数学模型,并采用四阶龙格库塔方法积分求解.通过对比仿真计算分析了包括水面拖船在内的整个系统在各种情况下的运动响应.结果显示：当计入船缆耦合影响后,系统的速度和回转性能有所降低;水下拖缆在系统机动过程中因计入水面拖船而自身运动的影响也会表现出更为符合实际的运动特性.     

含弹性索的绳牵引并联机构的动力学和末端轨迹控制

为了能为实际应用提供更多的机构构型选择及更有效地研究机构动力学和轨迹控制问题,以2索(一索为弹性索;另一索为普通无质量无弹性刚性索)牵引末端执行器实现2个方向平动运动的2T机构为例,研究其动力学和末端轨迹控制问题.首先,在末端执行器运动方程的基础上,推导机构系统的逆动力学公式,给出机构动力学系统的状态空间表示及体现其具有微分平坦性的非正式表达;接着,利用非线性控制理论的线性化过程严格证明该微分平坦性,并获得微分平坦输出量和微分同胚于机构动力学系统的拥有Brunovsky正则形式的线性化和解耦化的等价系统;最后,通过针对该等价系统设计外环线性状态反馈控制器,实现末端执行器的渐近稳定轨迹跟踪,并进行实例控制仿真研究.结果表明:控制仿真可实现末端轨迹渐近稳定跟踪,稳定之后的跟踪误差值为0;但在稳定之前存在轨迹跟踪误差和振荡时间,这可通过优化反馈控制增益或修正反馈控制器来改善.     

超高速磨削相关技术与工业应用

超高速磨削加工是先进制造方法的重要组成部分,是各种加工材料获得精确尺寸和表面完整性的主要加工方法。论述了超高速磨削相关技术,分析了超高速外圆磨削、快速点磨削、高效深切磨削等超高速磨削加工技术的国内外现状、最新进展及在工业中具体应用,阐述了发展超高速磨削加工的重要性。     

斜拉桥的索力测试及其参数识别

对采用频率法测定斜拉桥索力时的若干问题诸如索的刚度,索的垂度,索的边界条件等因素对索力测试精度的影响进行了比较详尽的分析,并通过索力标定、对索的参数进行识别,最后通过番禺大桥的实测表明根据所测频率基于振动原理所获的索力在一般情况下具有相当的精度,可以满足斜拉桥施工控制的需要。     

基于温度补偿的索张力补张拉修正算法

针对大型复杂预应力空间钢结构施工过程中实测索力与目标索力存在较大差值的问题,在已有研究的基础上,基于温度补偿法并结合找形分析算法,提出了补张拉索力修正的计算策略以及数值计算流程.基于ANSYS软件平台,采用初始应变输入与施加温度荷载输入相结合的方法,编制了补张拉索力修正计算模块,用于施工过程中主动索补张拉的修正计算.该修正计算方法可考虑几何非线性、弹性预应力损失以及群索在张拉过程中的相互影响等因素,能保证补张拉过程符合施工和设计对索力精度的要求,可直接用于指导施工过程补张拉,追踪构件在张拉过程中的力学响应.算例结果表明,该方法是用于实际工程预应力补张拉计算的一个实用而有效的方法.