低速风洞绳牵引并联支撑系统的机构与模型姿态控制方案设计

首先介绍作为风洞试验中新型'软式'支撑系统的绳牵引并联支撑系统;其次,在给定的设计要求下,依据缩比模型所需运动,探讨绳牵引并联支撑系统的设计原理,并提出详细的设计步骤,得到了一个8根绳牵引的RRPM:WDPSS-8,使缩比为1∶40的F-15E模型可实现的俯仰角达-79°～71°、滚转角达-90°～90°、偏航角达-38°～39°;最后,在建立系统的动力学模型的基础上,采用基于绳长关节空间的驱动力矩控制器的位置控制方案来进行缩比模型的姿态控制,并用Lyapunov函数证明缩比模型在该控制规则下的运动稳定性.

绳牵引并联机构的研究概况与发展趋势

总结了近 2 0年来关于绳牵引并联机构的研究概况和研究内容 ;论述了绳牵引并联机构的构型、工作空间、刚度和冗余性等方面的研究 ;分析了绳牵引并联机构的应用前景与发展趋势 ,指出了绳牵引并联机构在建筑机器人、虚拟现实的力反馈装置和触觉装置、大型运动仿真器、大型射电望远镜、超高速机器人、超大工作空间的轻型机器人和风洞试验等领域的应用前景 ,展望了绳牵引并联机构的预期研究内容。

低速风洞绳牵引并联支撑系统的运动学参数标定

提出一种用两个倾角计且基于逐次逼近算法对风洞绳牵引并联支撑系统WDPSS-8的运动学参数进行标定的方法,利用该方法对WDPSS-8的49个主要运动学参数进行了辨识,通过计算机仿真对辨识结果进行了验证,从而为提高WDPSS-8的缩比模型的姿态角精度奠定了理论基础。

6自由度绳牵引并联机构的运动轨迹规划

首先,基于6自由度绳牵引并联机构的运动学逆解模型,给出了可用于运动轨迹规划的绳的速度和加速度 的一般结论:绳的速度值始终不大于动平台上相应铰链点的速度值;而正的绳加速度值始终不大于动平台上相应 铰链点沿绳拉力方向的加速度值。接着,提出一种适用于大部分工作空间的绳拉力的计算算法。然后,选择一个 结构紧凑的6自由度完全约束定位机构,以末端执行器能实现空间螺旋∞型的轨迹为目标,进行运动规划,研究 绳的运动特性。仿真结果验证了以上所得到的一般性结论。同时表明,一些绳的拉力的变化不大;而另外一些绳 的拉力的变化很大。这些运动轨迹规划的仿真结果,能为以后该机构的运动控制方案的研究提供依据。提出的运 动轨迹规划方法对一般的6自由度绳牵引并联机构都适用。

绳牵引并联机构奇异性分析及无奇异机构设计

绳牵引并联机构是将驱动器的运动和力以绳为介质并行转换成动平台的运动和力的装置,其末端执行器的自由度数可定义为机构的结构矩阵的所有旋量正张成的实数空间的维数。指出绳牵引并联机构仅有过运动性的奇异类型,阐明该奇异是一种由于位姿几何的特殊导致动平台的力旋量集合的维数降秩的现象;以一个1R2T机构为例指出了机构的奇异性除了会导致机构失去控制,还会导致绳优化拉力分布的不连续性:以1-2-1型的1R2T 机构为例研究动平台的重力会对机构的奇异性所造成的影响,从而发现即便动平台重力无法消除机构的奇异点, 但却能使各根绳的拉力分布重新得以配置。提出用各个转动自由度相互解耦,而平动运动能得到完全控制的机构是无奇异的这个原理来构造无奇异性的1-2-1型的CRPM(1R2T)、2-3-2型的RRPM-7(2R3T)的方法;提出用对心抓取定理构造无奇异性的2-2型的CRPMs(1R2T)和3-3型的CRPM(2R3T)的方法;提出用3维力封闭抓取定理构造无奇异性的3-3-3型的RRPM-9(3R3T)的方法。

六自由度绳牵引并联机构的可达工作空间分析

提出一种由 7根绳牵引的六自由度并联机构 ,建立其数学模型 .对机构进行基于矢量封闭原理的可达工作空间分析 ,同时采用 Monte- Carlo技术在 Matlab环境下编程进行仿真 ,验证所采用分析方法的可行性 .仿真结果是可达工作空间的数值近似表示 ,可通过提高所提取的点数来提高显示精度 .

低速风洞层流风场中WDPSS-8机器人系统索系流固耦合效应的动静力特性分析

由于绳索存在柔性,导致低速风洞绳牵引并联支撑系统飞行器模型在进行静态实验时存在索系风振耦合行为,从而引起末端位姿偏离既定值,为了对位姿偏离进行实时补偿,以WDPSS-8机器人系统为研究对象,假设索系处于线弹性范围之内且受一定的轴向拉力,基于ANSYS/CFX软件,研究逐个末端位姿所对应的索系在风速为35m/s的层流风场作用下所表现出的考虑双向流固耦合效应的动静力特性。结果表明:索系支撑系统的气动干扰有望比传统硬式支撑系统的气动干扰小得多;吹风时索系会产生顺风向弯曲的复杂三维振动而导致末端位姿产生变化,除了必须实时在线补偿这种位姿变化外,还要解决随模型位姿改变的索系振动抑制问题和模型与索系连接点处的流动控制问题;同时由于索系内应力也会产生变化,即使有索系减振措施,通过测量绳拉力来获取气动力/力矩的方式也是不可行的。

4个1R2T绳牵引并联机构的工作空间质量之比较

引入比例系数、质量系数和全局质量系数来衡量工作空间的大小和形状,针对 4 个1R2T机构,比较了动平台处于相同 2 个姿态时工作空间的大小和形状。结果表明:绳与滑轮(或动平台)的连接点重合时,通常会增大转动工作空间; 以转动工作空间的大小为准,发现了1R2T的完全约束定位机构中最好的构型;m=2n的冗余约束定位机构对大的转角提供一个大的平动工作空间。

六自由度绳牵引并联机构的轨迹规划

建立所设计的六自由度绳牵引并联机构的运动学逆解模型后 ,提出 1种计算拉力的算法 .以动平台末端执行器能实现∞型的轨迹为目标 ,进行运动规划 ,研究绳的运动特性 .仿真结果表明 ,绳的速度值和加速度值 ,始终不大于动平台末端执行器的速度值和加速度值 .绳的加速度值和末端执行器的加速度值 ,同属 1个数量级 .同时 ,一些绳的拉力的变化不大 (处于“关”的状态 ) ;而另外一些绳的拉力的变化很大 (处于“开”的状态 ) .这些运动轨迹规划的仿真结果 ,能为以后该机构的运动控制方案的研究以及控制系统的设计 ,提供依据 .文中提出的运动轨迹规划方法 。

基于最小二乘支持矢量机的四绳牵引6自由度欠约束并联机器人的静刚度分析及优化

在考虑悬链线的情况下,推导出作用在四绳牵引6自由度欠约束并联机器人的绳拉力与工作平台位移之间的增量关系,从而获得系统静刚度矩阵的解析表达式。根据最小二乘支持矢量机泛化和学习能力强的特点,对工作空间内小样本的数据进行拟合,描绘机构某点处的刚度矩阵及其在主工作平面内三个方向平动的静刚度变化情况,寻找最薄弱的环节,并利用该方法的全局优化能力对机械的结构进行优化设计。分析结果表明,机构横向平动刚度较弱,通过减小机构的长宽比可以有效地增强该方向的刚度。

绳牵引并联机构拉力分布优化

由于绳只能承受拉力,绳牵引并联机构必须采用冗余驱动。这种驱动冗余性导致无法平凡地求解各根绳的拉力值。而机构运动控制必须实时计算各根绳的拉力。为寻找绳拉力的优化解,必须研究绳拉力分布的优化问题。引入Verhoeven将绳拉力优化问题转换成一个在凸多面体上的非线性优化问题的研究方法,即将绳拉力的优化解表示成最低解和最高解的线性插值。由于优化解在某些情况下不连续,有必要将优化解做p-范数近似表达。探讨优化解的p-范数近似表达的实际算法,并对4根绳牵引的2自由度并联机构的最高解和最低解求解进行实例仿真。

FAST馈源舱绳牵引并联支撑系统的机构设计

在不考虑驱动系统功率大小的限制和机构的组成要素满足一定理想条件下,以舱体实现2个转动自由度和3个平动自由度为前提,从绳牵引并联机构学的角度出发,为500 m口径球面大射电望远镜(FAST)的馈源支撑寻找可行的机构类型.结果表明,6根绳牵引的6自由度的不完全约束定位机构(IRPM)、6自由度的完全约束定位机构(CRPM),以及6自由度的过约束定位机构(RRPM)都是可选的机构类型,但各自要解决的关键技术并不相同.

6自由度绳牵引并联机构的运动学参数标定

首先提出一种8根绳牵引的转动自由度解耦的6自由度并联机构,并建立其运动学模型．接着引入用 2个倾角计对6自由度绳牵引并联机构进行运动学参数标定的方法,并利用该方法对该机构的49个主要运动学参数进行辨识．最后,通过计算机仿真,对辨识结果进行验证,从而为提高该机构动平台的位姿精度莫定理论基础．这种标定方法适用于一般6自由度绳牵引并联机构的运动学参数标定,在标定时也可用相似的测量仪器来代替倾角计．同时,可在控制系统中在线嵌入其对应的标定修正模块,以便连续地补偿机构的运动学参数误差．

CNC雕刻机平面并联机构的运动学设计

提出一种新型三坐标 CNC雕刻机的概念设计 .该雕刻机采取平面并联机构实现 X,Y方向进给运动 ,而安装在该机构末端的串联主轴实现 Z向进给运动 .针对该平面并联机构 ,研究基于总体灵活度的运动学设计方法 ,指出运动学设计问题可归结为以全局运动性能指标最大为目标的单目标、有约束的优化设计问题 .同时 ,利用随机方向法搜索到一个最优解 ,通过实例分析进行验证 .结果表明 ,提出的方法是可行的 ,可用于样机的开发 .

基于遗传算法的平面并联机构运动学设计

针对平面并联五杆机构提出了基于总体灵活度的运动学设计方法。该方法将运动学设计问题归结为全局运动性能指标最大为目标的单目标有约束优化设计问题 ,并采用遗传算法搜索到一个最优解 ,将其与采用随机方向法所得到的解进行比较 。

绳牵引并联机构的工作空间优化

采用一种简单的绳拉力计算算法,提出比例系数、质量系数和全局质量系数来衡量工作空间的大小和形状。并针对1个CRPM和1个RRPM的3R3T绳牵引并联机构,比较其动平台处于同一主位姿时工作空间的大小和形状。结果表明:CRPM的平动工作空间比RRPM的大,而转动工作空间比RRPM的小;CRPM的转动工作空间的全局质量比RRPM的大,而平动工作空间的全局质量比RRPM的小。可见,可根据预定的工作空间的大小和形状,通过改变构型配置和机构尺寸来获得优化的构型。

吊装绳牵引并联起重机器人的建模分析

提出一种6自由度的绳牵引并联起重机器人,以取代现有的轨道吊.通过对绳牵引并联起重机器人进行构型配置并建模后发现,其动力学系统是具有8个输入量、6个状态量和输出量的冗余驱动的非线性系统.将非正则反馈线性化控制器引入到该系统中,得到一个线性化的系统.选择适当的输入控制律,即可得到一个关于轨迹误差的二阶常微分方程.在选择合适的反馈增益的基础上,可实现渐近稳定的吊运轨迹跟踪控制.仿真结果表明,吊具在x和y方向上的轨迹的稳态误差为零,但在z方向上的轨迹始终存在一个固定的稳态误差,必须通过改进系统的控制器来解决.

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.

大型造船门式绳牵引并联起重机器人的机构设计与运动学位置逆解分析

针对大型造船门式起重机存在的翻身作业不灵活、机械结构复杂等缺陷,将3根绳牵引的欠约束绳牵引并联机器人技术引入到对大型造船门式起重机的改造中,提出大型造船门式绳牵引并联起重机器人的概念.参照现有大型造船门式起重机的基本参数,按照1∶50的比例,对该机器人的机构参数进行配置,详细分析其广义运动学位置逆解问题并给出计算方法.实例仿真表明,该机器人能实现6自由度的吊运任务.

WDPSS缩比模型的低速风洞测力试验

以满足风洞测力实验时所要求的缩比模型的姿态范围为出发点,进行低速风洞大攻角绳牵引并联支撑系统(WDPSS)的机构设计,得到构型WDPSS-8.研究WDPSS-8的缩比模型姿态控制技术和作用在缩比模型上的气动载荷的解算原理.在实现缩比模型的姿态控制和测力系统的基础上,对WDPSS-8进行开口式低速回流风洞吹风试验,得到一组升力系数、阻力系数及升阻比随攻角的变化曲线.虽然没有标模的试验数据对比,但所得的曲线是符合一般飞行器的空气动力特性的.