操作机主运动机构的解耦性研究

巨型重载操作机是极限制造装备技术的重要体现,为了降低操作机的控制难度,研究3种常见锻造操作机主运动机构的解耦性问题。建立3种锻造操作机的运动学模型,并求解机构的速度输入—输出关系矩阵,发现在传统的输出参数定义下,3种操作机的输入始终处于耦合状态。根据实际工作状态重新定义输出参数,在此基础上提出一个新的解耦定义方法。分别单独求解每个动作下的速度的输入—输出关系矩阵,并且利用Matlab仿真验证,发现其中一种操作机的主运动机构是完全解耦的,而另外两种操作机属于部分解耦。从锻造操作机主运动机构的解耦过程来看,重新定义输出是一种直观的解耦方法,该方法为并联机构的解耦提供一种新思路。

结构解耦6-PSS并联微操作平台的研究与开发

利用并联微操作机构的构型原理 ,提出了结构解耦 6- PSS并联微操作平台新机构 ,描述了微操作平台的运动学模型、静刚度模型、一体化结构模型、几何误差模型和标定策略 ,研制了微操作平台样机 ,给出了其测试结果。研究表明 ,该并联微操作平台的结构解耦及一体化结构是成功开发的关键 ,为微操作平台机构构型和结构设计提供了新思路。

一种完全解耦式锻造操作机机构

提出了一种能实现升降运动与水平移动之间解耦的完全解耦式锻造操作机机构,该机构直接将Hoekens四连杆近直线输出机构输出端与钳杆中部相连,并在四连杆机构其中的一连杆中间安装水平缓冲缸。基于位置正解模型,分析了操作机分别只作升降和俯仰运动时钳杆末端的位置变化,结果表明:当操作机升降运动时,其产生的水平方向的耦合位移量在控制误差范围之内,可实现升降运动与水平方向移动的解耦;当操作机只作俯仰运动时,钳杆末端在竖直方向产生的位移几乎为零,在水平方向产生的位移也非常小,钳杆几乎是绕着钳杆末端定点转动的。

基于微分几何的非完整移动操作臂解耦控制

针对在非完整移动操作臂（NMM）系统协调控制中传统解耦线性化方法所带来的局部线性化及近似线性化等问题，采用微分几何方法，通过适当的微分同胚和非线性反馈实现NMM系统多输入多输出非线性解耦控制，将多变量、强耦合、非线性的复杂系统精确转换为线性解耦系统。由NMM系统的状态方程建立其仿射非线性系统模型，并进行解耦条件验证，通过微分几何方法得到NMM的线性解耦系统，同时对解耦后的线性子系统设计PD轨迹跟踪控制器。仿真结果表明该控制器具有良好的跟踪效果，并验证了利用微分几何方法解耦后线性系统的正确性。

机器人操作臂的解耦跟踪控制

提出了一种基于Ｔａｙｌｏｒ级数展开的直接驱动型机器人操作臂的轨迹解耦跟踪控制方法．利用Ｔａｙ－ｌｏｒ级数对系统的逆动力学进行动态线性化和预测，并在相平面内设计控制器。

完全解耦式锻造操作机运动机理与动力学

为了实现锻造操作机升降运动与水平移动之间的解耦,提出了一种从结构组成原理上实现解耦的锻造操作机机构,并对该机构的运动机理和动力学性能进行了研究与实验验证。首先,基于Hoekens四连杆机构介绍了完全解耦式锻造操作机的结构组成原理;运用螺旋理论工具分析了完全解耦式操作机机构的自由度,对其升降运动和水平移动之间的解耦机理进行了剖析。然后,基于虚功原理建立了操作机机构动力学模型,比较分析了该解耦式操作机机构和典型平行连杆式操作机机构在升降运动和锻造加工过程中的受力性能。最后,研制了该新型解耦式操作机的比例实验模型,采用激光跟踪仪测试了钳杆在升降过程中的水平位移变化量。实验结果表明:在升降运动过程中,钳杆在水平方向的位移变化量在1mm之内,基本上验证了该完全解耦式锻造操作机能够实现升降运动与水平移动之间的解耦。

一种可实现位姿分离的局部解耦混联机械操作手

混联操作手兼具并联特征操作手的高承载能力及串联特征操作手的大工作空间,具有广阔的工程应用前景。以具有解耦特征的RPS并联结构为模块,构建了串并混联结构的局部解耦混联操作手;通过将驱动链分布于不同平台,得到封闭的位置正解;建立虚拟样机,实现了独立的位置运动及姿态运动。理论结果与虚拟样机的运动模拟效果一致,驱动器的位移数据点变化过程比较平稳,表明机械手可实现复杂的操作运动。该方法有效地降低了串并混联操作手的运动惯性,为操作手的应用提供了重要的理论依据。

解耦双并联主操作手的优化尺度综合

优化过程综合考虑了主操作手(简称主手)的运动范围、平均力学性能及最差力学性能，将运动空间体积、全局灵巧度以及灵巧度最小值3个因素的加权和作为机构性能评价指标。根据工作空间内点的使用频率不同，提出了基于空间使用频度的灵巧度定义方法，使优化结果更有实际意义。优化前后的主手力传递性能的对比分析验证了方法的有效性。

一种位姿解耦的主操作手结构设计与优化方法

为提高医生对微创手术机器人主操作手进行操作时的一致性和灵活性,设计一种8关节串联型力反馈主操作手。从位姿解耦角度出发,通过一种双平行四边形结构实现位姿解耦,提高了主操作手在不同位姿下操作的一致性。利用改进后的D-H参数法和逆变换法,分别建立主操作手的正运动学和逆运动学模型,并从运动学角度验证了该位姿解耦策略的正确性。基于蒙特卡洛法,使用MATLAB编程,分析主操作手的最小工作空间。求解主操作手的雅可比矩阵,基于全域性能指标和全域性能波动指标定义了主操作手的综合运动性能指标,并以最小工作空间作为约束,用遗传算法对主操作手的运动性能和结构尺寸进行了分析与优化。结果表明:相比于优化前的初始设计,优化后主操作手的综合运动性能指标提高了15.32%,尤其是具备良好运动性能的工作空间体积增加到原来的3倍,已基本包含手术要求工作区域。主操作手在保证操作一致性和足够工作空间的基础上,具备了良好且稳定的运动性能。

一种新型3-RRPU并联机构的运动学及鲁棒控制研究

针对现有的三平移并联机构大多正解不唯一、较难实现精确稳定运动控制的问题,提出了一种新的3-RRPU型三平移并联机构,同时研究了机构的运动学、动力学及轨迹跟踪控制方法。首先,运用螺旋理论分析了该机构三平移的原理,进行了驱动输入的选取与论证,对机构平台奇异性、驱动奇异性和支链奇异性进行了分析;其次,运用运动学理论建立了运动学模型,推导了位置正、逆解析解;再次,运用拉格朗日动力学理论建立了机构操作空间的刚体动力学模型;最后,提出了一种基于非线性反馈解耦的自适应滑模轨迹跟踪控制方法,以证明其控制稳定性,并基于动力学模型对空间轨迹跟踪精度和控制力矩进行了仿真分析。研究结果表明:3-RRPU并联机构的位置正解在一般位形下具有唯一性,机构的平台奇异位形和驱动奇异位形少且无支链奇异。该轨迹控制方法可使机构在载荷20 kg、速度0.18 m/s、加速度0.12 m/s 2下,实现0.002 m以内的高精度复杂轨迹跟踪;基于Sigmoid函数的轨迹控制方法还能有效削弱控制力矩的抖振,为实现工业领域高速、高精度、高性能的三平移运动提供了新方法。

锻造操作机顺应性能评价与优化方法

研究操作机的刚度与顺应性能,基于雅可比矩阵的各时变线性关系项对机构的运动学性能进行分析,构造关节速度与操作空间速度变换项的均方差模型,建立运动性能评价矩阵,其中对角项为各速度变换项相对其平均值的波动程度,反对角项为速度变换的耦合程度,具有明确的物理意义。通过构造操作刚度矩阵各项元素的均方差变换模型,建立关节刚度与操作刚度变换的线性耦合度评价指标。建立Matlab程序计算某型操作机的速度变化和刚度耦合关系的函数曲面,对操作机运动性能和各方向顺应性能进行评价。研究操作机运动学参数的优化模型,计算得到了运动学近似解耦的某型操作机关键几何尺寸和关节位置,基于运动性能指标和顺应性能指标对运动学参数进行评价,对优化机构参数和原操作机参数进行对照。所获得的操作机运动性能和顺应性优化结果为操作机本体结构参数设计提供了一种有效的性能优化和评价方法。

气垫式流浆箱实验装置的解耦控制研究

气垫式流浆箱是高速造纸机的重要设备之一,它的操作状况将直接影响到成纸的品质指标。本文试图从一台实验装置的机理模型和测试模型出发,研究和探讨流浆箱的解耦控制问题。

一种新型双并联主操作手构型设计

提出了一种新型双并联结构的主手构型 ,由于采用了平动与转动分离的两层并联结构 ,在保证了结构紧凑的同时 ,实现了运动空间的最大化 ,平动与转动的完全解耦特性大大减小了空间内出现奇异的可能性。另外 ,采用柔性传动方式实现了转动机构运动与驱动部件的分离 ,将所有驱动部件固定于基座 ,有效地减小了运动惯量 。

基于参数化设计的一种新型锻造操作机机构尺度优化

为了实现一种新型锻造操作机主运动机构的尺度优化,首先求解了该锻造操作机机构的位置及静力学反解。提出了一种采用ADAMS软件的几何线条建立该新型锻造操作机参数化模型的新方法,这种方法建模简单快捷,添加运动副方便,易于实现参数化。定义了升降缸驱动力效率和俯仰缸驱动力效率,然后基于升降缸驱动力效率及所需行程指标对升降驱动机构进行了尺度优化,以俯仰缸驱动力效率及所需行程为优化目标对俯仰驱动机构进行了尺度优化。最后基于解耦性指标对缓冲机构进行了尺度优化,结果使钳杆升降过程中其水平位移接近为零,极大地简化了锻造加工控制过程。

两四能级Ξ型原子系统相位噪声的BangBang控制

本文给出了由两个四能级Ξ型原子组成的系统当存在相位消相干时的Bangang解耦方案,包括具体的解耦操作。在理想脉冲条件下,BangBang解耦操作能很好地压制量子噪声。

五能级Ξ型原子系统相位消相干的BangBang控制

研究了五能级Ξ型原子相位消相干的BB解耦问题,给出了解耦操作及其脉冲实现.在理想脉冲条件下,BB脉冲能很好地压制量子噪声.

新型3-PRC柔性并联微操作平台的研究

采用压电陶瓷作为驱动器设计了一种带有二级杠杆放大机构的3-PRC柔性并联微操作平台,该平台能实现空间三自由度的微小平移运动,放大机构的理论与有限元仿真分析放大倍数分别为8.772和8.245。首先采用矢量法建立了该机构的运动学模型,得到了其运动学正、逆解和雅克比矩阵。然后利用MATLAB软件分析并绘制了平台的工作空间,最后对机构的解耦性进行了理论分析并利用有限元软件进行了验证。结果表明该机构的耦合性误差小,可以实现空间三自由度微纳米级别的运动,具有较大的运动空间和良好的运动解耦性。

软件定义航天器系统架构设计

软件定义技术的高速发展有望引发航天产业新一轮的技术革新。文章分析了未来航天器发展的总体趋势和软件定义航天器的发展现状;针对未来航天器灵活、自主和快速的发展需求,提出了一种软件定义航天器系统架构,其具有设计分层化、接口规范化、硬件通用化、功能软件化和资源虚拟化等技术特征。相比以往的航天器系统架构,它将软件定义扩展至整个航天器,并充分考虑了航天器的固有特征。文章分析了该架构对未来航天器发展需求的满足情况,梳理了开放架构与规范、器载操作系统、器载超算平台和安全机制4项关键技术,并提出进一步细化系统架构、形成标准规范的发展建议。

一种新型基于光纤柔性铰链的六维微位姿并联测量平台

提出一种集传感和弹性运动副于一体的光纤柔性铰链,并通过光纤柔性铰链构造并联平台,实现六维微位姿的在线检测。这种光纤柔性铰链基于光纤曲率传感器的测量原理,通过检测光纤柔性铰链的角位移来获得微动平台的位置与方向。研究了光纤柔性铰链的位姿测量原理和曲率测量机理,以及直线位移和角位移同光纤柔性铰链曲率的变化关系,分析了传感器各参数对灵敏度的影响;利用光纤柔性铰链灵敏度具有方向性的特点制作六维位姿测量平台,减小传感器的维间耦合;设计了传感器的标定模型及标定方案并通过实验验证。这种六维微位姿测量传感平台具有结构紧凑,测量力小,测量行程大的特点,适合应用于微操作系统中的多维微位姿的在线检测和末端执行器的微位姿闭环控制。

一种新型基于光纤柔性铰链的六维微位姿并联测量平台

提出一种集传感和弹性运动副于一体的光纤柔性铰链,并通过光纤柔性铰链构造并联平台,实现六维微位姿的在线检测。这种光纤柔性铰链基于光纤曲率传感器的测量原理,通过检测光纤柔性铰链的角位移来获得微动平台的位置与方向。研究了光纤柔性铰链的位姿测量原理和曲率测量机理,以及直线位移和角位移同光纤柔性铰链曲率的变化关系,分析了传感器各参数对灵敏度的影响;利用光纤柔性铰链灵敏度具有方向性的特点制作六维位姿测量平台,减小传感器的维间耦合;设计了传感器的标定模型及标定方案并通过实验验证。这种六维微位姿测量传感平台具有结构紧凑,测量力小,测量行程大的特点,适合应用于微操作系统中的多维微位姿的在线检测和末端执行器的微位姿闭环控制。