射电望远镜馈源支撑系统的振动特性

我国正在建造世界上最大的单一口径射电望远镜,其馈源支撑系统采用刚柔串联的两级并联机构实现精调定位。该文针对Stewart并联机构运动时反作用力会引起索并联机构振动的特点,对馈源支撑系统的振动特性进行分析。将6根绳索简化成6个弹簧阻尼器,利用Newton-Euler方法建立系统完整的动力学模型,推导出系统的状态方程,提出了数值求解方法,并利用Adams仿真进行了验证。数值方法分析结果表明:Stewart动平台上负载质量逐渐增加时,索平台的振动增大,响应变慢,绳索拉力的峰-峰值与负载质量大致呈线性变化。     

两移动三转动完全解耦混联机器人机构型综合

为综合得到两移动三转动(2T3R)完全解耦混联机器人机构,基于GF集理论提出了一种简单而有效的解耦混联机构型综合方法,并且给出了完全解耦混联机构型综合的具体设计步骤。首先分析了GF集的运算法则;接着通过GF集元素组合公式和混联机构数综合方程构造了混联拓扑结构,并结合机构输入运动副选择原则和解耦分支设计准则,确保了混联机构运动的解耦性;然后根据该构型综合方法,完成了完全解耦2T3R五自由度混联机构的型综合过程。运用该型综合方法,得到了构成2T3R解耦混联机构各模块单元的组合形式,再以其中一种组合形式为例,综合出了2T3R五自由度完全解耦混联机构,并得到了大量新构型。针对该完全解耦混联机构,求解了机构位置的正解解析表达式,推导出了机构的雅可比矩阵,进而依据此雅可比矩阵表达式,验证了混联机构的完全解耦特性,进一步证明了该构型方法的正确性。基于GF集的完全解耦混联机构型综合方法可用于具有确定运动特征的解耦串联、并联以及混联机构的构型设计。     

六自由度混联机构雅可比矩阵求解及奇异位形分析

提出一种由2个不同的三自由度并联机构串接而成的混联机构,针对下端和上端并联模块分别建立速度雅可比矩阵,然后通过上下两个并联模块的运动关系,建立整个混联机构的整体雅可比矩阵.雅可比矩阵是分析机构奇异位形的基础,通过令机构整体雅可比矩阵行列式为零,从而得到机构奇异的非线性方程来研究混联机构的奇异位形,同时运用MAPLE软件绘制出机构的奇异轨迹.该方法建立了由2个并联模块组成的混联机构的雅可比矩阵,具有一定的理论意义.     

六自由度混联机构运动学分析

混联机构结合了并联机构和串联机构两者的优点,有效地扩大了机器人的应用范围.提出了一种由两个不同的三自由度并联机构串接而成的混联机构,对其进行运动学分析,分别求取上下两个并联模块的运动学正解方程,从而得到整个混联机构的运动学正解.通过给定机构结构参数和驱动输入参数,用一组算例求得运动学动平台位姿,并画出三维机构位姿状态图模型,更加直观地了解机构的位姿状态.然后求解其运动学逆解,按照运动学正解结果,给定机构的两组位姿,求得此时机构的驱动输入参数及各转动副的状态,对比正反解的结果,进而验证了双并联型混联机构运动学正反解模型的正确性.最后,在运动学分析的基础上,利用极限坐标搜索法,结合混联机构的运动学反解,给出机构工作空间求解的算法.给定机构的结构参数,考虑杆长约束、关节转动副约束及杆件干涉等影响条件下,利用数值搜索法在圆柱坐标系中搜索工作空间的边界.在Matlab软件中仿真得到混联机构在给定不同姿态下的位置工作空间和给定位置下的姿态工作空间.     

1R2T绳索牵引骨盆康复机器人动力学

运用影响系数方法对1R2T绳索牵引骨盆康复机器人的运动学进行了分析,得出骨盆运动与绳索运动的映射关系,通过Matlab对骨盆步态中期望轨迹进行仿真,得到各根绳索加速度变化曲线;基于机器人力螺旋平衡方程,并利用牛顿欧拉法和达朗伯原理建立了机器人动力学模型.运用仿真方法对机器人逆动力学特性进行分析,得出绳索最小拉力阈值的设置对各根绳索拉力变化规律具有影响的结论.运用Matlab和Adams建立了机器人动力学模型,分别对是否考虑绳索刚度两种不同情况进行了联合仿真,结果证明所建模型的正确性,同时得出绳索最小拉力阈值和绳索刚度对系统运动性能的影响规律.     

仿生柔性并联机器人的逆运动学与优化设计

提出一种绳索驱动的柔性仿人头颈并联机器人,其基座和动平台由3根绳索和1个压缩弹簧连接.采用压缩弹簧模拟人的颈椎作为并联机器人的支撑脊柱,以绳索模拟人颈部肌肉对机器人进行驱动控制.将作用在动平台上的外力等效为动平台中心的矢量力和力矩,基于力和力矩平衡条件,结合压缩弹簧侧向弯曲方程,解得机器人的逆运动学模型.为了使绳索驱动力最小,以绳子拉力的最小平均值和最小-最大值为优化目标,基于非线性最优化拟牛顿算法对绳索在基座及动平台上端点位置进行了优化设计.仿真结果验证了并联机构逆运动学模型和优化方法的正确性和可行性.     

Stewart并联机构姿态奇异与无奇异姿态运动规划

以单位四元数为姿态参数,研究Stewart并联机构位于给定位置的姿态奇异并进一步探讨机构的无奇异姿态运动规划方法。基于机构的雅可比矩阵,构建机构给定位置的以单位四元数表征的姿态奇异轨迹的一般符号解析表达式。利用四元代数理论构建刚体姿态运动学方程和时间最优姿态轨迹方程;通过分析机构姿态奇异轨迹分布并利用刚体运动的时间最优姿态轨迹方程,研究机构无奇异时间最优的姿态运动的规划方法。研究成果进一步丰富了Stewart并联机构的奇异规避理论。     

绳牵引并联机构拉力分布的优化研究

从理论上解决了应用于飞行器风洞试验的绳牵引并联机构拉力分布的优化问题。由于绳只能承受拉力,因此机构的运动控制必须实时计算各绳的拉力。以往学者将绳拉力的优化归结为一个线性规划问题并采用迭代法进行求解,而迭代法不仅计算速度慢,且无确定的优化解。为此,建立了基于影响系数的协调方程和能量最优解析方程,使拉力分布的最优解呈显式表示。     

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。     

索牵引弹体装填机器人的尺寸优化设计

针对海军大型武器的对接装填自动化需求,为提高装填安全性和效率,该文提出一种三索并联机器人,实现弹体自动化转运和装填,并完成了该三索并联机器人的尺寸优化设计方法研究。考虑索塔高度对于建造难度、重量及成本等影响,将参数优化设计分为全局搜索优化及局部搜索优化。全局搜索通过对所有设计参数进行采样搜索得到索塔高度为关键设计参数,基于悬臂梁位移公式得到索塔高度及直径相关性,从而建立索塔高度与索力变化率的无量纲优化函数,得到索塔及索径优化结果。在全局搜索优化结果基础上,以最大索力最小化为设计参数优化指标,得到所有设计参数的优化值,并最终得到平动轨迹上的索力变化曲线。设计方案、优化方法及参数优化结果可为后续海军弹体装填自动化设备提供参考和依据。     

平面三自由度并联机构的正解分析

章分析了一般结构尺度的平面三自由度联联机构的正解。首先，建立了含有移动副的平面三自由度并联机构运动分析的方程，并将其化解为只含有从动件一个运动位置参数的代数方程（一元六次方程），通过优化迭代计算出六个解；其次，介绍了全为转动副的平面三自由度并联机构的解，可在含有移动副机构解的基础上进行分析；最后，给出了一个算例，说明了求解过程的可行性。     

3T2R混联机构运动学性能分析

5自由度混联机构由完全各向同性的三维移动并联机构和2自由度转动的串联机构组成.此混联机构末端位置由两部分共同决定,姿态完全由串联部分决定.首先,求解了机构的自由度数目,并运用螺旋理论分析了自由度性质.然后,选取机构的驱动副,判断并联模块支链第5个转动副为消极副,从而简化了并联模块,方便了后续的分析.最后,分析了混联机构的运动学特征,利用运动影响系数求得其速度雅可比矩阵,并分析了机构的工作空间和奇异位形.该机构运动学解耦,计算方便,便于实时运动控制,同时机构工作空间大,无奇异位形,有很好的应用前景.     

绳牵引并联机构拉力分布的优化

从理论上解决了应用于飞行器风洞试验的绳牵引并联机构拉力分布的优化问题。由于绳只能承受拉力，因此机构的运动控制必须实时计算各绳的拉力。以往学者将绳拉力的优化归结为一个线性规划问题并采用迭代。法进行求解，而迭代法不仅计算速度慢，且无确定的优化解。为此，建立了基于影响系数的协调方程和能量最优解析方程，使拉力分布的最优解呈显式表示。     

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。     

3-PCR并联机构的奇异性分析

针对3-PCR新型空间三自由度并联机构进行分析.运用坐标变换法求得机构的位置方程,通过对位置方程的求导得到速度方程,进而推得机构的逆、正雅克比矩阵;以雅克比矩阵为基础分析该机构发生奇异的条件及奇异的类型.奇异性分析为研究该机构的工作空间及轨迹规划奠定了基础.     

柔索驱动混联机器人的结构设计与研究

文章针对传统串联机器人转动惯量大、刚度小等问题提出并设计了一款柔索驱动混联机器人。利用共轴球面并联机构通过走线设计将驱动单元安装在基座实现柔索驱动,模块化设计实现串、并联机器人的构型;然后根据机械结构和运动特性,利用SD-H法和矢量法对混联机器人进行运动学建模并分析验证;仿真实验采用B样条曲线进行轨迹规划,研究机器人关节柔顺性。实验结果表明,柔索驱动混联机器人具有较小的转动惯量、较好的柔顺性和较大的刚度。     

五自由度混联机构运动学及工作空间分析

提出了一种新型的五自由度混联机构,该机构由三自由度移动的完全解耦并联机构和二自由度转动的串联机构构成。为获得该混联机构的运动学模型及性能参数,描述了机构的组成模块,并计算了其自由度数目。基于几何法和D-H(Denavit-Hartenberg)法,求解了混联机构末端位姿理论参数模型,利用ADAMS软件对其进行了运动仿真。基于ADMAS运动仿真结果,采用边界搜索法分析了混联机构的位置、姿态工作空间。结果表明,该五自由度混联机构末端姿态灵活、工作空间大且无奇异位形,具有良好的应用前景。     

一种运动分岔并联机构的结构约束与运动模式分析

为设计得到一种新型运动分岔并联机构,运用螺旋理论对其结构约束和运动模式进行分析,同时分析了输入选取。首先,研究了一种运动分岔单环闭链的运动特性,具有两种不同的单自由度转动和两自由度瞬时转动;其次,将运动分岔单环闭链与四自由度PPRR(P表示移动副,R表示转动副)串联支链相结合,得到一种具有无约束、存在一个约束力偶和一个约束力矢的3种不同结构约束的混联支链,并得到了混联支链在不同运动模式下的约束螺旋表达式;最后,利用3条相同的混联支链连接定平台和动平台,得到一种新型运动分岔并联机构,并讨论了其输入选取。研究结果表明,该运动分岔并联机构具有3T3R、3T、3R、2T1R和1T2R(T表示移动,R表示转动)共5种不同运动模式。     

兼顾速度特性的三自由度混联机床尺度设计

以设计高速混联机床为目的,研究了一种两自由度并联机构的设计方法。建立了机构的运动学正逆封闭解方程、作业空间解析解和速度传递方程。根据机床的特点,定义出速度输出率和全域速度输出率指标,明确了机构输入和输出速度与设计参数之间的关系。提出一种兼顾速度和作业空间要求的并联机床尺度设计方法,并进行了具体的设计计算,结果证明该方法可行。基于此并联机构,给出了一台高速三轴混联机床的概念设计。     

基于平行绳索构型的柔性梁结构抑振控制

基于结构质量轻、载重比大和成本低等优点,大型桁架结构在航海和航天等领域得到了广泛应用。桁架结构在长径比较大时表现出一定的柔性,在外部激励作用下会引起设备振动,影响使用性能。该研究以Euler-Bernoulli梁作为柔性机构的简化模型,采用平行绳索构型的抑振结构,结合MATLAB/Simulink提出基于索力控制的柔性梁抑振控制方法。该文分析平行绳索构型的被动和主动抑振2种模式。结果表明:平行绳索构型抑振方案能够有效减少端点位置的振动,被动绳索抑振方案能快速抑制振动,但是索力无法控制;主动抑振方案能有效控制绳索索力大小,但是抑振时间相对较长。