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。

考虑柔索振动影响时索牵引并联机器人的动力学分析与控制

现有索牵引并联机器人研究中,大多没有考虑柔索振动对系统运行精度的影响。为此,提出一种适用于慢速运动的索牵引并联机器人动力学模型,模型中将柔索的运动分解为稳态运动与小幅振动两部分。系统的期望运动可由柔索的稳态运动来实现,柔索偏离稳态位置的运动可由对应的小幅振动来描述。针对稳态运动和小幅振动分别设计了相应的控制器,稳态运动的控制器保证系统可按期望的轨迹运行,小幅振动的控制器则用来抑制柔索在运动过程中出现的振动,这种振动是不希望出现的。最后,给出了一个数值算例来验证本文动力学模型及控制算法的有效性。

一种缓慢运动索牵引并联机器人的跟踪控制

缓慢运动的索牵引并联机器人中,牵引索在做大范围运动的同时会伴随有低频振动,建立了这种柔索的动力学模型,得到柔索的长度、张力与振动位移之间的关系。针对执行机构产生的索长收放误差,提出一种控制策略,利用机器人终端的位姿和柔索张力的反馈结果由柔索动力学模型得到索长误差,经NPID控制器调整后完成索长修正。数值算例证明了该方法的有效性。

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。

索牵引并联机器人静态平衡位置的正解研究

研究了一种大跨度但运动缓慢的索牵引并联机器人的位置正解问题,此时可认为系统处于静平衡状态,但必须考虑柔索垂度的影响。索牵引并联机器人的静态平衡位置的正解就是确定机器人末端执行器的位置和姿态,使得系统能在给定的柔索长度下处于静平衡状态。这涉及到系统的非线性力学分析而不仅仅是一个几何问题。本文采用悬链线方程描述柔索的力学特性,结合索端位移与机器人末端执行器位移之间的关系推导出机器人的末端执行器位移与索长变化之间的增量关系,据此提出一种迭代策略完成正解计算。数值算例验证了本文方法的有效性。

索牵引并联机器人中变长度柔索的动力学分析

现有索牵引并联机器人研究中大多将柔索处理成简单的索杆单元,没有充分考虑柔索的动力学特性对末端执行器定位精度的影响。为此提出了一种柔索长度慢速变化时的索牵引并联机器人动力学模型。首先推导了描述变长度柔索动力学特性的偏微分方程,空间离散化后采用有限差分法将其转换成普通微分方程。然后,根据末端执行器与柔索之间的动力耦合关系,得出索牵引并联机器人的动力学模型,模型中同时包含有柔索和末端执行器的自由度。最后,给出两个算例来验证本文模型的有效性,同时说明工作空间巨大时考虑柔索动态特性的必要性。

FAST大跨度索牵引运动控制系统全过程仿真分析

分析了500m口径球面射电望远镜（FAST）使用柔性索牵引加之二次位姿精调机构的支撑方案在实现接收机的大范围精确运动时对结构和控制系统设计带来的巨大挑战，在现有概念方案的基础上，建立了馈源支撑系统在原型尺度上的完整机构和环境扰动模型，提出了相应的控制策略，并设计了控制器模型来实现精确定位与指向功能。利用全过程数值仿真分析方法，研究了系统的动力学响应以及各种扰动参数对控制效果的影响。仿真结果显示，现有的馈源支撑设计具备良好的控制性能，验证了方案的可行性，并为进一步的优化设计提供了参考依据。

驱动链高速轴断裂所致FAST索牵引并联机器人的冲击振动仿真分析

介绍了FAST望远镜的巨型柔索牵引并联机器人的构型和工作方式。对FAST柔索牵引并联机器人的塔-索-舱柔性悬挂系统在某一套索驱动单元的电机高速轴发生断裂,卷筒上的低速轴安全制动器随即启动的极端工况所引发的卷筒溜索量和柔性悬挂系统的冲击振动力进行了有限元仿真分析;总的仿真分析可分为三步进行,即柔性悬挂系统的静力学找形分析、卷筒溜索量分析和基于溜索量-时程曲线的系统动力学仿真分析;与此同时,仿真中采用了模拟塔柔性的质量-弹簧振子模型、简化的安全制动器制动力时程曲线和模拟索驱动设备的绳索-质量滑块系统等简化模型。计算结果表明,因高速轴断裂引发的冲击造成了柔性悬挂系统的大幅震荡,需要在系统详细设计中认真考虑。

考虑柔索垂度影响的索牵引并联机器人跟踪控制

为考虑柔索垂度影响采用抛物线方程来描述大跨度柔索的构形,推导出索端张力与索端位移和索长变化之间的关系。基于柔索力学方程建立索牵引机器人的动力学模型,模型中作用在末端执行器上的柔索合力与柔索长度和末端执行器的位姿直接相关。为便于在控制设计中引入力学模型,对动力学方程进行线性展开,得到作用在末端执行器上的柔索合力增量与索长变化和末端执行器位移之间的关系。作用在末端执行器上的柔索合力可以表示为其期望值与相应的增量之和,该增量是由索长误差及末端执行器位姿误差引起的。控制设计时首先采用李雅普诺夫法针对柔索合力设计反馈控制器,然后利用前述的增量关系构造出基于末端执行器位姿反馈,以索长调整量为控制输出的非线性控制器。该控制器在本质上为一带补偿项的非线性PD控制,控制器参数可随系统状态的变化而自动调整。数值算例证明了控制算法的有效性。

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。

平面索牵引机构工作空间解析求解与验证

为求解平面索牵引多体机构的力旋量封闭工作空间边界,提出矩阵零空间的方法.该方法通过对力的雅克比矩阵分析,推导出保证索力的非负条件,并根据此条件求解出力旋量封闭工作空间边界,找到力旋量可行工作空间.使用蒙特卡罗方法优化电机的位置和杆上牵索点的位置,使得力旋量可行工作空间最大,并保证机构的运行轨迹在力旋量可行工作空间的范围内.对平面串联两杆机构的一种构型进行参数优化求解和实验验证,结果表明参数优化后的构型可以保证预期轨迹在力旋量可行工作空间内,解析法可以准确地推导出力旋量封闭工作空间的边界.

大坡度滑索牵引索失效分析及解决措施研究

介绍了目前市场上的大坡度滑索的典型结构和运动特点,分析了大坡度滑索牵引索失效原因及可能带来的安全隐患,提出了大坡度滑索的牵引索失效的一些保护措施。措施一是牵引索设置冗余;措施二是利用牵引索失效后其张力迅速下降的特性,利用张力突变触发安全装置动作,使滑行小车速度有效减速或停止,而不会发生乘客失速下滑冲击滑索下站;措施三是承载索制动,利用制动轮与承载索之间产生的压力产生摩擦力对滑车进行减速和制动。经试验和现场应用证明,这些保护措施安全有效,解决了大坡度滑索潜在的巨大风险。

柔索牵引踝关节康复机器人运动轨迹规划

针对当前踝关节康复机器人构型以刚性驱动居多,结构复杂,其系统刚度无法根据患者的恢复状态进行调整,提出了一种位置可重构的柔索牵引踝关节康复机器人。建立了柔索牵引踝关节机器人运动学模型,根据踝关节在矢状面、冠状面以及横断面上的极限转角,构建了踝关节在内翻/外翻、内收/外展、背屈/跖屈运动时的转角变化函数;通过分析机器人三种运动工况下的柔索的长度、速度、加速度变化规律完成了柔索牵引踝关节康复机器人的运动轨迹规划。

室内四索牵引定位与索长求解

室内飞机维修四索牵引摄像系统因工作特性定位时系统处于静力平衡状态,不考虑运动时的动力特性,而着重考虑系统内部扰动对索长的影响。为减小悬索索长对定位误差的影响,提高四索牵引系统定位精度,实现悬索可达范围最大化,基于悬链线原理,通过对位置逆解分析,在空间O-XYZ坐标系中推导出悬索水平分力与索长之间的关系式,并建立四索悬链线模型。利用序列二次规划(SQP,sequential quadratic programming)算法优化悬索水平分力,使悬索拉力均匀分布,迭代求解非线性方程组得到最优化索长。通过仿真计算验证了该方法的有效性和可行性,计算过程清晰简便,四索索力分布均匀,避免了索力超限和虚牵现象。

过轮对柔索牵引踝关节康复机器人运动特性的影响分析

过轮是柔索牵引构型中最为常见的结构。分析了过轮对柔索牵引踝关节康复机器人柔索运动规律的影响;通过分析考虑过轮与忽略过轮两种工况下的机器人运动方案,建立了考虑过轮的柔索长度数学模型,借助ADAMS建立机器人运动学模型,对柔索长度的数学模型进行了验证;分析了过轮对柔索牵引踝关节康复机器人运动特性的影响。

循环索牵引方法的试验

日本营林署1972年夏季作业中曾经使用单索循环式索道,之后曾间隔了10余年。近年来,随着天然林作业的推进,日本扁柏天然林的采伐由皆伐作业向择伐作业发展,集材方式也由架空索道集材方法改为单索循环式集材方式。

绳索牵引桥式抓斗卸船机绕绳系统

北仑港使用的２１００ｔ／ｈ绳索牵引桥式抓斗卸船机是采用带补偿小车式抓斗，其牵引小车绕绳系统可延长钢丝绳使用寿命，采用４绳牵引，从而使抓斗起升绳、开闭绳和牵引绳通用。文中示出了绕绳系统及牵引绳平衡架结构图、滑轮设计参数以及在不同工况开斗时闭合绳的垂度实测值。

基于FAST馈源支撑系统的索牵引并联机构的力学分析

对FAST(500米口径球面射电望远镜)馈源支撑系统中的索牵引并联机构进行了力学分析。首先,在考虑钢索自重及弹性变形的情况下,建立了静力平衡状态单根钢索的悬链线模型;然后,采用绝对节点坐标法对变长度单元进行描述,进一步得到整根钢索的动力学模型;利用钢索与馈源舱之间的约束以及钢索出索点的约束得到六索牵引并联机构的动力学方程;对建立的索牵引并联机构的动力学模型进行数值计算和仿真,并将FAST实际运行中的钢索速度代入模型中进行验证。仿真结果表明了钢索动态特性对馈源舱位姿的影响,并且馈源舱位姿的仿真数据和实际观测数据趋势相吻合,最大相对误差不超过20%。

基于索力优化的FAST柔索牵引并联机构的静力学分析

FAST望远镜的馈源支撑是一个跨度巨大的柔索牵引并联机构,其中可承载用于收集射电波信号的馈源接收机的馈源舱由六根并联的支撑钢索悬挂于空中,并随着6索的协调收/放可在空中大范围缓慢运动。由于支撑钢索的截面尺寸较大,在机构平衡状态下其自重不能忽略。其中一部分钢索还需要悬挂入舱的动力电缆和通讯光缆,因此馈源舱运动范围、馈源舱姿态、各索的张力和索的几何构形均存在着复杂的耦合关系。该文建立了支撑钢索和馈源舱的静力平衡方程,通过引入各索张力均衡分配的优化原则,对舱静力平衡方程进行了优化求解,并获得了各索张力和馈源舱姿态角在轨迹球冠面内的优化计算结果。从各索张力的优化计算结果可推导出各索张力的最大值、最小值和变化趋势。基于馈源舱姿态角的优化计算结果,并结合馈源接收机在焦点位置所必须达到的姿态角控制要求,估算了舱内的AB转轴机构所需要的最小姿态角补偿范围。该文最后分析了支撑塔高度和馈源舱的重心位置对于索张力和馈源舱姿态角在轨迹球冠面内的优化分布计算结果的影响。分析结果表明最大索张力对于支撑塔高度较为敏感且成反比,而舱姿态角对馈源舱的重心位置较为敏感。这两项重要参数均应在未来FAST的设计中进行优化。

基于等效模型的索牵引并联机器人的刚度分析

现有索牵引并联机器人研究中,由于柔索长度较短大多将其处理成仅能受拉的直线索单元,没有考虑柔索垂度的影响,刚度分析过程与刚性支腿并联机器人相同。为考虑垂度影响,该文采用悬链线方程建立了大跨度柔索的静力学模型,推导出柔索的刚度矩阵。然后提出了一种刚度等效模型,将柔索等效为三根两两相互垂直的弹簧。于是便可将索牵引并联机器人等效为弹簧支撑并联机器人,从而利用现有的刚度分析结论即可完成大跨度索牵引机器人的刚度分析。最后,以大射电望远镜的索支撑系统为例研究了其刚度特性。