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。

基于多目标蚁狮算法的Stewart平台优化设计

针对Stewart平台传统结构优化设计中,存在的设计过程低效、优化方案不全面以及优化结果不直观等问题,在深入分析Stewart平台运动特性的基础上,建立平台的运动学方程,并通过仿真技术求解出平台的可达工作空间以及灵活工作空间。文中将多目标蚁狮(MOALO)算法应用于Stewart平台的结构优化设计,以雅可比矩阵条件数以及可用操作度为优化目标,通过仿真软件得到多组优化解,即帕雷托优化解集;以用作运动模拟器的Stewart平台为例进行具体的优化设计分析,通过对灵活工作空间体积占比的求解,验证了该算法的有效性和可行性。在Stewart平台的结构优化设计中,MOALO算法相较进化遗传算法、多目标粒子群算法等,在多目标优化问题上具有更好的收敛性和覆盖性,更符合实际多目标优化工程设计。

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。

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。

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。

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。

基于正交补的6-3 Stewart并联机构运动学正解

提出了一种研究6-3 Stewart并联机构运动学正解问题的新方法。通过分析动平台位姿变量之间的耦合关系,增加了一些有用的信息,得到了用于解决这一问题的11个相容方程。使用正交补方法进行消元,最终可以将6-3 Stewart并联机构运动学正解问题表达成一个一元八次方程。最后通过一个实例验证了该方法的正确性。

考虑驱动分支惯量影响的Stewart平台动力学研究

基于达朗伯原理和等效力法 ,建立了处于实际工作状态时的Stewart平台的动力学模型 ,重点分析了 Stewart平台中各驱动分支的运动学、动力学特性。并对 Stewart平台在其动力学分析和设计中 ,能否忽略各分支的惯性影响进行了分析。仿真结果表明该方法易于求解 ,适用于需考虑各分支惯量影响的 Stewart运动平台。

Stewart结构六维力传感器各向同性的解析分析与优化设计

各向同性是反映六维力传感器结构性能优劣的重要指标,各向同性性能分析是Stewart结构六维力传感器结构设计中的关键性问题。为了获得最优的各向同性性能,应用螺旋理论建立Stewart结构六维力传感器的静态数学模型,系统研究传感器的各向同性性能指标。利用数学解析的方法,对传感器的正向和逆向各向同性进行分析,推导出同时满足正向力和力矩各向同性时结构参数之间的关系表达式,证明了该类传感器不能同时满足逆向力和力矩各向同性,并得到了各向同性度性能指标之间存在的制约关系。权衡各向同性的四个性能指标,通过求解综合性能目标函数的极值,得到了综合性能指标的最优值,并推导出综合性能指标最优时结构参数之间所满足的关系表达式。研究内容为Stewart结构六维力传感器的结构性能优劣评价及结构优化设计奠定了基础。

TMT三镜系统中Stewart平台的优化设计

为了使TMT三镜系统具有跟踪瞄准功能,同时可以校正由于重力引起的结构变形,设计一个大型的Stewart平台来完成三镜的Tilt调整。根据初始参数对并联机构进行了位置反解的计算,并分别对支腿轴向力和刚度进行了建模,最后使用了Matlab进行优化计算,得出一组最优解。根据所求出的最优解使用ANSYS建立了三镜系统的参数化模型,并与Matlab联合仿真,对三镜系统的各个工况进行了有限元模拟。仿真得到三镜各个工作位置时的支腿的伸长量、重力下的变形、第一阶模态值以及六根支腿内力。模拟结果显示,最终设计的Stewart平台支腿的最大变形量为0.813 mm,与优化前的模型相比下降了20%;第一阶模态最小值为16.7 Hz,与优化前的模型相比上升了18%;六根支腿的轴向力最大值为27 219 N,相比优化前下降了15.9%。

基于D-H矩阵的Stewart型并联机床位姿误差计算模型

针对6自由度Stewart型并联机床,以D-H变换矩阵为建模工具,建立起包含铰座位姿参数、杆件D-H参数的机床动平台位姿方程。采用矩阵微分方法推导出一个机床位姿误差线性化计算模型。该模型不仅使铰座位姿参数误差、杆件D-H参数误差等几何误差全部进入机床位姿误差计算方程,而且将机床位姿误差与几何误差之间的非线性隐式函数关系简化为线性显式函数关系。基于支链杆长方程建立起一个能描述机床位姿误差与几何误差之间实际映射关系的非线性计算模型,以其作为参考模型对线性化计算模型的有效性进行检验。仿真表明:在小误差条件下,线性化模型可以很好地逼近非线性模型,由于具有形式简洁、分析与计算方便等特点,基于D-H变换矩阵的位姿误差线性化计算模型可用于Stewart型并联机床的精度分析、精度综合及运动学标定。仿真结果还表明:当对机床位姿精度要求较高时,需要考虑杆件的全部D-H参数误差对机床位姿的影响。

Stewart六自由度并联平台动力学模型振动分析

为提高Stewart六自由度并联减振平台控制精度,采用力学分析、旋转矩阵等方法构建了减振平台的速度特性和加速度特性等动力学分析模型和Adams虚拟样机模型,并对该平台在瞬态激励下上端载物平台的位移输出情况、速度情况和加速度情况以及固有特性进行了振动仿真分析.结果表明:1)上端平台的响应较小,最大的位移出现在0.7s左右且能够很快地保持稳定;2)Stewart六自由度并联平台的一阶固有频率较小,低频特性较好,且在大范围的频率段范围内响应稳定.

Stewart平台动力学建模及鲁棒主动隔振控制

未来复杂航天器低频模态密集,其敏感载荷要求很高的指向精度和稳定度,只对航天器本体姿态控制很难满足要求。本文采用Stewart超静平台对敏感载荷进行6自由度主动隔振,建立了非线性动力学模型,并根据线性模型设计了多变量鲁棒控制器,采用DK迭代算法求解。频域分析可得Stewart平台对3～800Hz的扰动主动隔振大于25dB,仿真证明Stewart平台对10Hz谐波扰动隔振性能优于40dB,对白噪声随机扰动隔振性能优于30dB,有效抑制了微小扰动,起到了6自由度超静隔振平台作用。

通用Stewart平台运动学正向数值求解方法及应用

为了得到通用Stewart平台的运动学正向求解非线性方程组的全部解或者使其求解效率满足实时应用,研究人员进行了长期的研究,找到多种解决方案,但是不同方案之间缺乏系统的比较。为此,对并联机构的运动学正向数值求解研究进行了综述;并且,针对通用Stewart平台的四种典型运动学正向数值求解方法,在精度一致的前提下,比较了计算效率。结果表明,改进的Jacobi矩阵法的计算时间开销在1ms以内,计算效率最高,建议在实时场合下应用。

基于机构条件数的30m望远镜三镜Stewart平台

从误差传递的角度研究了30m望远镜(TMT)三镜大型Stewart平台的转动精度。首先,利用奇异值分析Stewart平台速度雅克比矩阵,得出机构条件数与支腿伸长量的关系。利用条件数与系统误差传递系数的关系推导出TMT三镜特殊运动形式下支腿伸长量误差与平台姿态误差的关系,并使用MATLAB优化平台结构参数得出一组优化解。然后,利用ADAMS对之前的理论推导进行仿真验证。最后,利用已知误差传递模型结合精度实验数据进行实验,辨识得出Stewart支腿伸长误差为均匀分布、动平台转动误差向量模为双峰分布。利用MATLAB进行模拟,模拟结果显示:假设支腿伸长误差为0到1之间均匀分布,动平台转动误差向量模的期望会由优化前的5.345 4×10-4变为优化后的4.272 1×10-4,优化量约为20%;转动误差分布的两个肩峰相互靠拢且向0点移动。

基于Stewart平台数控机床的轨迹规划研究

根据虚拟轴机床在制造业中的应用特点，阐述多余自由度的概念，提出利用优化多余自由度实现刀具轨迹规划的策略。在大量仿真实验结果的指导下，提出一种更加简单的确定多余自由度的方法，该方法可以在机床的实际控制中快捷地实现刀具轨迹规划。