柔索并联机构运动学分析与工作空间求解

设计了一种用于货物搬运的三自由度柔索并联机构。介绍了柔索并联机构的结构,建立运动学正解与逆解模型,进行运动学分析,并通过实例计算验证正确性。基于运动学逆解和三维边界搜索法,求解柔索并联机构的工作空间。对末端执行器实现空间螺旋线轨迹进行仿真,验证运动学性能。结果表明,所设计的柔索并联机构在运动过程中绳索长度变化连续、稳定,满足货物平稳搬运的要求。

6自由度索并联机构的振动特性

6自由度索并联机构可以实现空间大范围的6自由度运动,在装配、对接和定位等应用中具有较大的优势。针对柔性绳索容易引起系统振动的特点,对6自由度索并联机构的振动特性进行分析。利用Newton-Euler方法建立系统的动力学模型,对动力学方程线性化获得系统的振动方程。在此基础上,得出各阶固有频率的分布情况,并分析一阶固有频率对结构参数的灵敏度特性。通过绳索受力频谱分析试验,获得6自由度索并联机构试验平台的一阶和二阶固有频率。试验结果与理论计算值接近,验证了所提方法的正确性。

基于试验设计方法和响应面方法的九索并联机构优化设计

提出一种九索驱动的6自由度柔性并联机构。依据静力学方程推导出该九索柔性并联机构的结构矩阵,使用力封闭算法计算出九索并联机构在特定受力状态下索力的分布,通过判断不同位置各索拉力的大小,从而确定出柔索并联机构在特定设计参数和特定受力状态下的工作空间。并以工作空间和工作空间分布情况为优化指标对索并联机构进行优化设计,利用三种试验设计方法布置试验点的位置,利用响应面法构建二阶响应面模型,从而对九索在框架上的安装位置、九索在动平台上下表面的连接位置进行优化设计,获得能使工作空间最大且沿竖直方向分布最均匀的优化结果。最后利用ADAMS搭建九索并联机构的虚拟样机模型,进行仿真分析,验证优化结果的准确性和优化过程的合理性。

3自由度柔索并联机构的运动轨迹规划

首先基于3自由度柔索并联机构模型,通过对索端重物进行正、逆运动学分析找到重物位置坐标与索长输入的相互关系。在此基础上,运用达朗贝尔原理推导出各柔索索端拉力与重物位置及柔索长度之间的关系。此过程中建立的非齐次线性方程组,证明了其具有无穷多组解,并采用广义逆矩阵的相关理论求解获得该方程组的最小范数解,即任意一时刻索端拉力的最优解;然后,在满足约束条件的前提下,寻找该并联机构的工作空间,即重物运动轨迹的范围。最后,对重物实现空间螺旋线轨迹进行了仿真,结果表明该机构能使重物的运动满足轨迹要求并具有较好的平稳性。仿真结果也为后续的对实现重物按规划轨迹运动的机构控制提供了理论基础。

结构参数对大型射电望远镜舱索并联机构奇异性的影响

与Stewart平台机构相似 ,大型射电望远镜舱索并联机构存在奇异性问题。在舱索机构开环运动控制模型的基础上 ,探讨了结构参数对奇异性的影响 ,找到了通过修改结构参数消除奇异性的方法 ,给出了设计参数可行域。

面向在轨装配的冗余索并联机构变刚度控制

为了提高一种面向在轨装配的索并联机构的工作性能,提出了变刚度控制算法。建立了索并联机构的完整刚度模型,分析了绳索张力分布对不同方向刚度的影响。然后,考虑影响绳索张力分布的矢量λ的安全边界,建立了变刚度控制算法,该算法消除了刚度模型中对整体影响较小的耦合刚度,提高了计算效率,并且通过分配权重的方式对不同方向的刚度进行不同优先级的控制。最后,通过仿真与实验对变刚度控制算法的效果进行了验证。以旋拧操作为例,仿真结果表明:在对运动平台施加一定扰动力时,采用变刚度控制算法求解出的索力分布使薄弱方向的振动降低了35%。样机实验结果表明,在对索并联机构样机进行刚度控制后,刚度的测量值与理论值具有较强的拟合性,误差分别为16.3%和14.6%。变刚度控制算法可以提高索并联机构的工作性能,具有较强的实用性,并且可以用于不同类型的冗余索并联机构中。

三自由度柔索并联机构运动性能分析

建立了三自由度柔索并联机构的运动学模型。依据静力学方程和矢量封闭原理求解机构的可控工作空间,并引入灵巧度和承载能力指标,以分析机构的运动性能。仿真分析验证了理论分析结果。

一种柔索并联机构工作空间求解策略

针对柔索并联机构中的工作空间求解问题,提出了通过判断柔索在动平台姿态变化前后与平面之间的位置符号是否改变的办法来判断柔索之间的干涉情况,简化了柔索之间的干涉分析算法;同时,通过对动平台的几何简化算法,使得在工作空间求解过程中可以兼顾动平台的复杂外形。由于同时考虑了柔索之间以及柔索与动平台之间的干涉,本文的求解策略可以得到更加有效的工作空间解。

空间冗余索驱动并联机构的耦合振动特性研究

针对大型空间结构的在轨装配任务,提出了索驱动并联机构的方案,对其振动特性进行了研究。基于微分变换推导了机构的刚度矩阵,在此基础上建立了索并联机构的振动方程。通过理论计算分别分析了运动平台的位姿以及绳索拉力水平对机构振动特性的影响,并通过仿真研究了不同工况下机构的振动规律。搭建了空间冗余索并联机构的缩比样机并开展了机构的振动特性试验,进一步验证了振动模型的正确性以及仿真结果的有效性。结果表明:运动平台在中心位置处时各阶模态是解耦的,不同方向的振动相互独立;在边缘位置处,各阶模态具有强耦合性,单方向的干扰力会引起多个方向的振动,且振动频率以一、二阶固有频率为主。研究结果对于索并联机构的振动控制具有指导意义。

七索并联对接机构作业空间分析及索力优化设计

柔性索并联机构具有工作空间大、能耗低和惯量小等优点,适合于重载及长径比大的工件吊装对接。提出一种七索驱动的6自由度柔性并联对接机构。借助静力学方程推导出该七索柔性并联机构的结构矩阵,并根据结构矩阵的零空间,计算得到设计参数下的可控工作空间和可行工作空间。通过比较工作空间大小,确定出动平台铰接点角度、动平台半径和下拉索分布半径3个设计参数。以下拉索索力均匀为优化目标,计算出下拉索索力变化情况,并结合工作空间分析和索力变化特点,给出一组满足设计要求的尺度参数。

基于定矢量力输出的八索并联机构索力优化及实验研究

提出一种八索并联机构来实现任意定方向矢量力的输出,完成对火箭发射推力的实时模拟.首先通过运动学建模和受力分析,得到八索并联机构的动力学方程.在建立定方向矢量力输出模型的基础上,采用力封闭的索力优化计算理论,对输出定方向矢量力时的机构索力进行了优化求解.最后,分别研究了终端输出不同矢量力时的索力变化规律,并在八索并联机构实验装置上实现定方向矢量力的输出,验证了理论研究的正确性.

考虑输入饱和和状态受限的九索并联机构自适应容错控制

针对一种用于月面起飞模拟的九索驱动并联机构,在考虑输入饱和和状态受限的情况下,采用基于反步法的自适应容错控制方法(Adaptive fault tolerant control, AFTC)设计九索并联机构控制器,提升索并联机构在驱动系统故障状态下的运行性能。控制器设计过程中,以乘性误差和加性误差的形式描述驱动系统故障对控制信号的影响,设计带有指令滤波器的辅助系统确保控制信号满足输入饱和条件,采用正切型界限李雅普诺夫方程(Tan-type barrier Lyapunov function, tan-type BLF)设计控制器确保动平台状态满足限制条件。仿真试验表明,基于AFTC方法设计的控制器可以有效辨识控制信号中的乘性误差和加性误差,在考虑输入饱和和状态受限的情况下,位置误差和姿态误差均可以被控制在一定范围内,同时保证控制过程中,九索并联机构索力连续变化且满足索力限制条件。

面向在轨装配的八索并联机构构型设计与工作空间分析

针对大型空间结构的在轨装配任务,提出了由八根绳索驱动的索并联机构,具有结构简单、质量轻、工作空间大的特点;针对绳索并联机构的构型综合问题,定义了出线点和绳索与中心执行器连接点的关联矩阵,在此基础上考虑约束条件综合出了八索并联机构的18种有效构型;计算了不同构型的力封闭工作空间以及针对在轨装配任务时的力螺旋可行工作空间,以工作空间体积为指标筛选出了最佳构型;分析了绳索拉力范围以及绳索与中心执行器连接点的位置变化对机构力螺旋可行工作空间的影响,并且对连接点的位置参数进行了优化。

大型射电望远镜馈源定位3T索牵引并联机构分析与设计

在新一代大型射电望远镜的机构设计中,由于馈源质量的大幅降低,在馈源定位的设计中,提出采用四绳索牵引并联机构,牵引馈源舱实现三个方向的平动运动,达到加大馈源工作空间的目的。为了研究非线性绳索控制机构中的尺度优化设计问题,在已知馈源舱位置的情况下,为解决由于绳索自重导致的悬链线问题,通过将悬链线简化成抛物线的方法,解决悬链线带来的高度非线性静力平衡方程组的求解问题,得到简化的静力学平衡方程。通过建立的简化静力学平衡方程,求解出四绳索牵引并联系统的工作空间与设计参数间的关系,并使用一种以力优化为目标的优化算法得到工作空间中四绳索静力平衡下的精确索拉力和伸长量。通过综合考虑满足条件的参数,最终给出满足设计要求的机构优化尺度参数。

柔索牵引并联机构的静刚度分析

对柔索牵引并联机构的静刚度进行分析,推导静刚度的一般理论计算公式。结果表明,柔索牵引并联机构的静刚度矩阵可分解为两项:k1是动平台位姿变化产生的静刚度,与索张力相关;k2是索的位形变化产生的静刚度。柔索牵引的完全约束定位机构(Completely restrained positioning mechanism,CRPM)或过约束定位机构(Redundantly restrained positioning mechanism,RRPM),其静刚度主要取决于k2,仅与索的弹性性能和索力作用的雅可比矩阵相关,而与索张力的大小无关。对于柔索牵引的欠约束定位机构(Incompletely restrained positioning mechanism,IRPM),由于柔索悬链线的影响,其静刚度不仅与索的弹性性能和雅可比矩阵相关,而且与索张力的大小有关。通过一平面3自由度RRPM的算例和代表IRPM的500m口径球面射电望远镜馈源悬索支撑系统的静刚度比较分析,证明了关于静刚度理论计算模型的有效性。

大射电望远镜索牵引并联机构索力优化分析

为对大射电望远镜馈源支撑系统索牵引并联机构实施控制、获得准确的索长信息,采用精确的悬链线方程建立舱体非线性静平衡方程组来求解索力,进而获得大跨度下刚索索长。提出了线性简化模型——赝曲线模型,该模型保证了解算精度,大大提高了解算效率,为实时控制及进一步大规模计算提供了便利。在给定位置下,利用赝曲线模型对姿态角进行搜索,得到满足索力约束条件的姿态角集合。在此基础上,以索力均匀分布为优化目标对索力进行优化,从而保证系统良好的力特性,避免钢索之间的干扰。数值计算说明了赝曲线模型的精确性和快速性,最后利用赝曲线模型得到了优化后精确的索力、姿态角与索长。

柔索驱动并联加工机构的力学建模与分析

针对柔索驱动并联加工机构,着重分析了该系统的固有频率及动力学响应特性。构建了系统瞬态时在切削力作用下的振动模型,解算出系统的固有频率;研究了系统的切削力模型和该力作用下的系统响应问题,基于龙格库塔法对系统的受迫振动模型进行数值求解.最后通过数值算例验证了该算法的可行性,并通过快速傅里叶变换(fast fourier transformation,FFT)将时域响应转变为频域解,分析了动平台质量和重心位置参数对系统稳定性的影响。

基于内张力补偿的并联柔索机构控制系统的研究

在并联柔索机器人的控制方法的研究中,大多忽略柔索的弹性,而实际上柔索弹性对控制系统性能影响较大,尤其是并联柔索驱动机构。因此建立了应用于风洞试验的并联柔索机构的动力学模型,进行了控制系统分析与设计。提出了采用常值重力及内张力补偿设计冗余并联柔索机构控制系统调节器的算法,实现了动平台点到点的位置控制,基于电机转角位置反馈分析了该控制系统PD调节器的误差,验证了该控制系统的稳定性,为冗余并联柔索机构控制系统的分析与设计提供了理论依据。

冗余并联柔索机构姿态工作空间的研究

将冗余并联柔索机构应用于飞行器模型的风洞试验,而工作空间是评价冗余并联柔索机构工作能力的一个重要指标,是并联机构设计的重要基础。分析了该冗余并联柔索机构的姿态工作空间的算法,基于此算法提出了机构的非奇异工作空间和实际姿态工作空间的概念及其相应的算法。通过计算机仿真给出了一个具体的冗余并联柔索机构的非奇异姿态工作空间和实际姿态工作空间的三维可视化描述,为该冗余并联柔索机构的设计和使用提供了一些理论依据。

六索飞机自动褪喷漆并联机构的设计与优化

为解决飞机褪喷漆行业人工操作效率低下的问题,提出了一种由六条柔索驱动的不完全约束飞机自动褪喷漆并联机构。由机构运动学逆解模型,推导了柔索自身、柔索与末端执行器、末端执行器与基础平台之间三种干涉约束的判定条件和干涉求解策略。在综合柔索索长约束、索力约束和干涉约束的基础上,求解了机构的工作空间,同时在MATLAB环境下仿真了工作空间体积与机构构型、尺度以及末端执行器姿态变化的关系,得到了优化结构参数。该方法同样适用于完全约束和冗余约束柔索并联机构。