一种机构刚度分布方法及在Stewart机构中的应用

并联机构(PKM)通常用于工业加工中的切削或装配,其优良的刚度特性和动态特性对机器人末端精度有了很好的保障。以机构低频共振的振幅为中间量,在机构固有频率振动分析的基础上,采用一阶共振能量分析法,计算机构各连杆刚度分布的比例,建立了一类新的机构刚度(变形能)分布评价指标。该方法用在方案设计阶段,可得到机构的整体刚体分布情况,从而获得了理论层面上的动力学性能依据。最后,以两类典型的Stewart并联机构作为案例,证明了该方法的有效性。

基于ADAMS的Stewart平台运动学分析

针对在Stewart 6自由度并联平台设计中,支腿的运动学及动力学参数理论计算过于复杂的问题,课题组提出了基于ADAMS的Stewart平台反解与正解相结合的分析方法。首先,通过ADAMS反解求得支腿位移参数;然后,将位移参数转换为驱动函数添加在各个支腿上;接着,通过ADAMS正解求解支腿其余运动参数;最后,通过实例对比理论计算与ADAMS分析数据。结果表明:课题组提出方法求得的支腿位移与理论值之差均小于0.01 mm,支腿最大速度及最大加速度与理论值误差均小于2%,从而验证了该分析方法的合理性与科学性。该分析方法为工程中遇到的6自由度平台已知动平台驱动函数求解支腿参数的实际问题提供了一种高效的解决办法。

Stewart平台神经网络非奇异终端滑模控制

针对Stewart平台的六自由度(six degrees of freedom,6-DOF)轨迹跟踪问题,提出一种基于神经网络的非奇异终端滑模控制方法并应用于Stewart平台的位置姿态控制中。通过分析Stewart平台的位置反解和速度反解,建立运动学方程,利用牛顿-欧拉方程建立动力学方程,并结合加速度反解得到了平台的状态空间表达式;基于非奇异滑模面函数,设计非奇异终端滑模控制律。考虑到径向基函数(radial Basis function,RBF)神经网络的逼近特性,采用RBF神经网络对模型未知部分进行自适应逼近,并利用Lyapunov第二法设计了自适应律;通过仿真证明控制器设计的有效性。仿真结果表明,相比于比例积分微分(proportional integral derivative,PID)控制器,提出的RBF神经网络非奇异终端滑模控制器具有更好的轨迹跟踪精度和动态特性。

基于ZYNQ的Stewart并联机器人运动学算法实现

针对实时的控制和监控,而导致Stewart机器人实时性不高的问题,提出了基于ZYNQ芯片的软硬件协同计算Stewart并联机器人运动学解的方案。ZYNQ芯片集成了PL(FPGA)和PS(ARM)两种不同的嵌入式芯片,PL(FPGA)作为PS(ARM)的协处理器进行运动学算法解算,PS(ARM)则运行实时系统,对Stewart机器人进行实时的控制。实验证明:硬件计算Stewart并联机器人运动学解与理论计算结果误差在合理范围内,且解算时间满足实时系统控制周期小于2ms的要求。

Stewart六自由度实验平台的测试与分析

基于Stewart六自由度平台设计而成的动感座椅,可以模拟最佳动作效果的各种空间运动姿态,使观众在观看电影或玩游戏时具有更好的代入感和互动体验。为了检测Stewart六自由度实验平台能否为实现特定的动感效果提供硬件保障,首先对其进行了单轴测试,分别测量了其静止和运动时的位置和速度;然后运用MATLAB得到相应的实际曲线,并与理论曲线进行对比分析,从而得出平台运动控制误差的大小;最后,将控制精度需求和误差分析结果进行对比,即可判定是否能为实现特定的动感效果提供硬件保障。

基于WOA-Elman的Stewart平台位姿正解

为了高效而准确地求解Stewart平台的正解问题,在本研究中,采用了鲸鱼算法来优化Elman神经网络模型。对Stewart平台的六根连杆长度和平台位姿的运动学模型进行了详细分析,并通过平台位姿反解数据创建实验数据集。关于Elman神经网络模型,引入鲸鱼优化算法对该模型进行了优化,以提高计算性能和精度,从而建立了WOA-Elman模型,用于求解Stewart平台的正解。通过详细的仿真分析对模型进行评估,并通过实验来验证模型的有效性。研究结果表明,采用鲸鱼算法优化的Elman神经网络模型在求解Stewart平台正解问题方面表现出色。该模型展现出出色的非线性拟合能力和高度的计算精度,能够快速而准确地求解Stewart平台的位姿正解问题。这一研究成果为解决Stewart平台位姿正解问题提供了一种高精度的方法。

六自由度Stewart并联平台的参数优化及公差分配

并联机器人的基础设计工作主要涉及两个方面:基本参数设计与公差分配。从机器人可达工作空间进行了推广,引申出广义的可达工作空间,将机器人姿态与位置同时考虑。以广义可达工作空间为优化目标,对6-SPS型Stewart平台进行基本参数的优化,通过粒子群算法(PSO)获得了一组具有更大的位置,姿态可达空间的并联机器人参数。另外,以更低的机器人制造成本为目标,在尺寸公差与形位公差满足机器人设计目标的约束下,对各基本尺寸的公差进行优化分配。通过分析尺寸公差与形位公差对末端精度的影响,建立了大概的公差-精度关系模型。

基于对偶四元数法的Stewart平台运动学研究

作为一种多自由度并联机构,Stewart平台在工业自动化、飞行模拟及医疗设备等领域具有广阔应用前景。研究Stewart平台的运动学特性,并提供数学模型和解决方法,可以实现对其运动和位置的准确控制。基于6-UPS型Stewart并联机器人平台,引入了对偶四元数的概念,探讨了Stewart平台的运动学特性,提出了一种高效的并联机器人运动学求解算法。研究结果表明,在描述并联机器人的运动学中,对偶四元数法具有更简洁的表示形式和更少的用来表示刚体位姿的未知数个数,具有明显优势。

Stewart并联机构型天线座架故障监测策略与实验研究

Stewart并联机构型天线座架以其重量轻、无盲区的特点,应用日益广泛,为建立针对该机构的故障监测策略,提高天线的安全性。首先对Stewart并联机构关节空间故障类型进行分类,并分析了关节空间故障对操作空间的影响。其次依据多数故障所产生影响的共同性,提出将分支实际方向向量与理论方向向量进行比对,通过二者差异的变化对机构故障进行监测的安全策略。最后建立安全监测策略数学模型,进行数值计算分析和实验验证。实验结果表明采用分支实际方向向量与理论方向向量夹角变化作为判断依据,可即时发现Stewart并联机构故障的发生。故基于分支方向向量的故障监测策略,可作为保障Stewart并联机构安全运行的有效手段,同时鉴于并联机构分支间强耦合的共性,该方法也可作为制定其它构型并联机构安全监测策略的参考。

基于DBO-PSO-BPNN的Stewart平台正运动学求解方法研究

为了提高Stewart并联机器人的正运动学解算精确度,文中首先建立了Stewart并联机器人的运动学模型,并提出了一种基于双级BPNN的神经网络结构,解决了位置数据和姿态数据量纲不同的问题;其次针对BPNN的阈值和权值优化初值的选择问题,提出了一种基于DBO-PSO的混合优化算法;最后为验证以上方法的效果,通过Stewart并联机器人的逆运动学构建了BPNN训练的数据集,并将提出的DBO-PSO的混合优化算法与DBO和PSO优化算法相比较,结果表明提出的基于DBO-PSO的双级BPNN具有更好的解算精度。

Stewart力传感器弹性体结构设计方法研究

手术过程中,腔镜微创手术机器人通过传感器精准测量手术器械与人体组织之间的交互作用力,可有效地促进腔镜手术的进步。文章根据传感器的研发要求,设计了一个适合手术器械的6自由度斯图尔特Stewart平台,基于电阻检测原理对平台的力/力矩灵敏度、各向同性度及连杆受力标准差进行了多目标优化;通过三维机械设计软件SolidWorks建模后,导入到有限元分析软件中进行受力分析。结果表明:按照优化后角度所设计的传感器各连杆受力更均匀,所选择的材料受到的极限应力均在比例极限内;传感器在x、y、z方向上的力和力矩检测范围分别达到了10 N和150 N·mm,力和力矩监测精度分别为0.3 N和3 N·mm,其适合于微创手术机器人。

基于Jerk约束的Stewart平台在线轨迹规划

为解决高精度Stewart平台在点位控制下生成平滑轨迹和在线更新轨迹问题,提出了一种基于Jerk约束的在线轨迹规划方法。首先,提出单自由度轨迹决策算法确定各自由度时间最优轨迹曲线;同时,为获得非线性轨迹方程目标最优解,提出基于Quasi-Monte Carlo和Brent算法的数值分析方法;然后,根据多自由度时间同步轨迹规划方法确定平台运动轨迹;最后,通过仿真实验验证算法实时性与可靠性。实验表明:算法满足毫秒级实时性要求,平台能够根据外部命令实时更新轨迹参数序列,最终使平台稳定到达目标运动状态。

基于位姿预测补偿的Stewart平台自稳定控制策略研究

针对船舰及海洋浮式平台上的设备容易受海浪的干扰,导致设备寿命减少、无法正常工作等问题,采用Stewart机构作为海上设备的稳定平台,提出基于位姿预测补偿的Stewart平台自稳定控制策略,使用ADAMS和MATLAB软件联合仿真对该控制策略进行验证,并且与无位姿预测补偿的Stewart平台自稳定控制方法对比,仿真结果表明:在输入扰动相同、使用相同的驱动电动缸并且存在延时情况下,加入了位姿预测补偿的Stewart平台控制方案能够将平台的最小扰动衰减率从65.6%提升到98.1%,具有较好的稳定效果。

某Stewart并联机构船载稳定平台控制系统设计

对于船舶或海上结构,由于海浪作用会产生横摇、纵摇和艏摇,对船上的仪器、设备和船员有很大的影响。Stewart并联机构因其精度高、重量轻和承载大等优点,被应用于船载稳定平台,用于隔离船体摇摆的扰动。文章针对某基于Stewart并联机构的船载稳定平台设计了控制系统,首先对机构进行运动学分析,分析其在补偿船摇控制时的运动形式;然后设计了伺服控制系统硬件,并设计工作空间闭环控制策略;最后通过实际实验测试,证明该系统能够实时调整姿态保证负载设备安装面水平,设计合理,稳定精度高。

Simulation of Offshore Wind Turbine Blade Docking Based on the Stewart Platform

The windy environment is the main cause affecting the efficiency of offshore wind turbine installation.In order to improve the stability and efficiency of single-blade installation of offshore wind turbines under high wind speed conditions,the Stewart platform is used as an auxiliary tool to help dock the wind turbine blade in this paper.In order to verify the effectiveness of the Stewart platform for blade docking,a blade docking simulation system consisting of the Stewart platform,wind turbine blade,and wind load calculation module was built based on Simulink/SimscapeMultibody.At the same time,the PID algorithm is used to control the Stewart platform so that the blade can effectively track the desired trajectory during the docking process to ensure the successful docking of the blade.Through the simulation of the docking process for blades with a length of 61.5 meters,this paper successfully demonstrates a docking system that might facilitate future docking processes.It also shows that the Stewart platform can effectively reduce the vibration and the movement range of the blade root and improve the stability and efficiency of blade docking.

双层圆钢管混凝土长柱压扭滞回性能试验

为研究双层圆钢管混凝土长柱在压、扭荷载作用下的力学性能,利用研制的Stewart六自由度加载平台,进行了两个普通圆钢管混凝土长柱和两个双层圆钢管混凝土长柱试件在纯扭、压扭作用下的低周往复试验。对比分析了各试件的承载力、扭转变形、耗能、滞回性能,进行了有限元参数分析。研究表明:普通圆钢管混凝土长柱和双层圆钢管混凝土长柱均具有较好的抗扭能力;与普通圆钢管混凝土长柱相比,双层圆钢管混凝土长柱的初始刚度和承载力略有提升,滞回曲线更饱满,耗能能力和延性大幅提升;参数分析表明含钢率一定时,内层钢管径厚比越大,对抗扭越有利;一定范围内的轴向荷载,可提高钢管混凝土柱的抗扭能力。

基于PI建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略

海上起重船受风、浪、涌影响会产生剧烈的船舶姿态变化,造成起重机和货物的位姿变化,对货物和人员存在安全隐患,波浪补偿平台的稳定性控制能有效减少复杂海况下船舶运动对海上作业安全性、稳定性和精准性的影响,对浮式起重船海上设备精准装载作业极其重要。针对补偿平台的迟滞非线性导致的建模困难和控制不精确问题,本文提出基于PI(Prandtle–Ishlinskii)建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略。首先,通过实验得到补偿系统的迟滞效应曲线,分析系统迟滞环建立PI迟滞模型,并采用递推最小二乘法辨识模型的各个参数,从而求得系统模型。然后,基于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性设计反步控制补偿方法,并结合滑模控制规律加快初始控制速度。最后,将反步滑模法应用于补偿系统,采用MATLAB软件仿真在规则波和不规则波下的响应来验证算法和模型的正确性,并在工控机中用C#编写控制程序,驱动运动控制卡控制伺服电机带动电缸进行补偿运动,同时通过传感器采集系统运动的实时数据,并反馈给工控机形成闭环,以期验证补偿平台在补偿规则波和不规则波下的补偿效果。实验结果表明,所建立的斯图尔特(Stewart)浮式平台中,PI迟滞模型具有良好的精度,反步终端滑模控制算法在Stewart平台的实际控制中能够很好地补偿波浪运动,相比比例–积分–微分控制(PID)、反步法、强化学习等控制方法,反步终端滑模方法能快速较好跟踪期望位移,补偿精度达到0.9729。

高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测方法

为了实现应用于高能激光等领域对表面洁净度有着极高要求的超光滑非球面检测,排除检测人员带来的洁净度与空气扰动的影响,研究了高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测方法。通过建立补偿干涉法非球面失调量与波前像差之间的灵敏度矩阵,实现利用波前像差求解被测非球面失调量。以理想干涉系统的离焦、彗差与像散为优化目标,进行反馈控制,实现被测非球面的自动化调整,进而实现高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测。实验结果表明,在干涉图可测范围内,利用灵敏度矩阵通过几步迭代即可实现非球面失调量的收敛。结合Stewart六自由度调整台,分别实现2μm精度的平移误差调整、2"精度的光轴自动化对准,最终完成被测非球面的精密调整,实现高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测。采用灵敏度矩阵与六自由度调整的非球面自动化干涉检测方法可实现被测非球面失调量的快速求解与自动调整,降低人员和环境带来的扰动影响,提高了非球面的检测速度,并实现了高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测。

一种Stewart隔振平台的动力学建模及实验研究

提出一种采用石墨自润滑球铰连接的立方体构型Stewart隔振平台,6个支腿通过可转动的球铰与基础及载荷平台相连,每个支腿由音圈作动器与力传感器构成。在假设各支腿、基础及载荷平台均为弹性体的基础上,采用子结构频响函数综合法对Stewart隔振平台进行动力学建模,并通过FEM方法进行验证,给出内嵌反馈控制的隔振平台模型,对反馈控制效果进行仿真验证;在仿真分析的基础上,对隔振平台的被动隔振性能和内嵌反馈控制的主动隔振性能进行实验。结果表明,被动隔振在30~200 Hz频段内具有约-36 d B/dec的衰减率,主动隔振在3~100 Hz频段内可获得最大20 d B的幅值衰减,<200 Hz,支腿力RMS值控制后下降75%~80%。

对称结构Stewart机构位置正解的改进粒子群算法

根据杆长约束条件,建立了求6-DOF对称结构Stewart并联机器人机构位置正解的无约束优化模型。针对标准粒子群算法容易陷入局部极值、进化后期收敛速度慢等缺点,提出了一种基于差异度评价指标的改进粒子群算法——自适应变异粒子群算法。为克服随机算法不易求出并联机构全部位置正解的缺点,采用分层搜索自适应变异粒子群算法求并联机构位置正解中的优化问题。数值实例表明,对于对称结构Stewart并联机器人机构位置正解问题,改进粒子群算法能求出全部装配构型,且收敛速度较快、精度较高。