绳驱动拟人臂机器人的动力学建模及张力分析

与传统的机械臂相比,绳驱动拟人臂机器人采用串并混联的结构形式,模拟了人手臂肌肉的并联驱动方式,但是,绳索的引入也增加了动力学分析的难度.将绳驱动拟人臂机器人视为基座、大臂、小臂和末端四连杆串联机构,采用迭代牛顿-欧拉法建立动力学方程的递推形式,考虑绳驱动的冗余特性和绳索的单方向受力性,提出基于动态最小预紧力的张力分配算法,求解出各绳索的驱动力.与未进行张力分配的方法及基于静态最小预紧力的方法相比,所提出的算法可使各绳索驱动力根据动态最小预紧力进行实时调节,满足了不同工作条件下机构的刚度要求.     

绳驱动拟人臂机器人的动力学建模及张力分析

与传统的机械臂相比,绳驱动拟人臂机器人采用串并混联的结构形式,模拟了人手臂肌肉的并联驱动方式,但是,绳索的引入也增加了动力学分析的难度.将绳驱动拟人臂机器人视为基座、大臂、小臂和末端四连杆串联机构,采用迭代牛顿-欧拉法建立动力学方程的递推形式,考虑绳驱动的冗余特性和绳索的单方向受力性,提出基于动态最小预紧力的张力分配算法,求解出各绳索的驱动力.与未进行张力分配的方法及基于静态最小预紧力的方法相比,所提出的算法可使各绳索驱动力根据动态最小预紧力进行实时调节,满足了不同工作条件下机构的刚度要求.     

绳驱动并联机器人张力约束工作空间分析

绳驱动三自由度机器人可以实现空间的自由转动.由于绳索只可拉伸不可压缩的单向特性,研究驱动绳索张力对机器人的控制具有重要意义.运用几何和矩阵的方法可以分析绳索的张力分配情况;在存在张力约束的条件下,提出张力系数作为评价张力分配优劣状况的指标,通过计算可以得到张力系数分布图,从而对机器人工作空间有直观的认识,进而提出有效的张力优化算法;通过对最小预紧力影响因素及选取方法的讨论,可以得到动态最小预紧力实时计算公式,保证绳索时刻处于张紧状态;通过样机的力检测系统张力反馈的实验可以验证理论推导.通过对以上几部分的分析和研究,可以对四绳驱动三自由度机器人的张力问题有综合全面的认识.      

考虑绳阻尼的绳系并联机器人动力学特性分析

针对应用于风洞试验模型支撑的绳系并联机器人的设计需求，采用实验和理论建模相结合的方法，研究绳阻尼对绳系并联机器人动力学特性的影响。首先，为了准确地定量描述绳阻尼，设计了一套测量绳阻尼的实验装置，通过实验得到了不同参数下的绳阻尼比；其次，考虑了绳阻尼，对绳张力进行建模，并提出了考虑绳阻尼的绳系并联机器人的动力学建模方法；最后，分析了绳阻尼对绳系并联机器人动力学特性的影响。结果表明:绳阻尼对绳系并联机器人动力学响应的影响主要体现在响应幅值上，绳直径越大，绳阻尼对绳系并联机器人动力学响应的减振作用越明显。当绳阻尼系数大于0.6 N·s/m时，不论绳直径粗细如何，绳阻尼对绳系并联机器人动力学特性的影响不能忽略。研究结果可为绳系并联机器人的设计提供理论指导。      

绳驱动机器人的解耦分析和位置控制仿真

为提高机器人的负载能力,基于几何分析和螺旋理论的基本原理,对绳驱动 拟人臂机器人的构型设计、钢绳传动方式和运动学控制问题进行了深入的分析.首先针对绳 驱动走线方式的多样性选择,设计了一种具有肘、腕关节耦合和肩、肘关节耦合的绳驱动传 动机构;然后以肩、肘、腕7-DOF关节为中间媒介对机器人末端和驱动钢绳间的运动学关系 进行了分析,即先考虑机器人末端位姿和各关节角度之间的关系,再研究各关节角度和其相 应的驱动钢绳绳长之间的关系,从而得到绳驱动机器人的运动学解;最后进行了仿真研究. 仿真结果显示机器人的关节角度和绳长变化曲线十分平滑,末端的实际轨迹跟踪理想轨迹的 误差非常微小,说明建议的算法正确,绳驱动机器人运行理想,可以有效克服常规机器 人自重过大带来的负面影响.      

考虑容错的平面二自由度过驱动机构力矩分配

针对过驱动机器人的故障驱动器数目不多于驱动冗余个数的情况,探讨如何进行故障前后的驱动力矩分配以保证机构具有容错能力.以平面二自由度过驱动并联机器人为研究对象,基于达朗伯原理和等效力方法建立其动力学模型,在此基础上分析了部分驱动器故障后机构的动力学方程,并进一步推导故障后容错力矩再分配方法.为减小故障后驱动力矩瞬时突变对机器人末端操作的影响,提出以故障前后的力矩差值平方和最小作为优化目标来进行过驱动机构力矩分配的方法.通过数据计算比较了采用传统方法和优化方法的各关节驱动力矩的突变量之和,结果表明所提出的优化力矩分配方法可以改善容错性能.      

绳系卫星横向振动的控制方法

研究绳系卫星绳索横向振动问题。首先建立绳索振动方程,由Pontrgasin方法求得抑制绳索横向振动的纵向优化控制力。实现方式为开启母星体内的电机控制绳长使星体产生加速度,星体惯性力导致绳轴向附加张力。      

三自由度平面欠驱动机械臂的轨迹跟踪控制

研究了三连杆平面欠驱动机械臂的轨迹跟踪问题.机械臂的第3个关节为被动关节,施加在自由运动连杆上的动力学约束是二阶非完整的.通过全局输入和坐标变换,系统的动力学方程被变换成高阶链式形式.基于后推法(backstepping)的思想推导出保证系统全局渐近收敛于参考轨迹的时变反馈控制规律.后推法将系统分解为低阶子系统来处理,利用中间虚拟控制变量和部分Lyapunov函数简化了控制器的设计.数值仿真结果显示系统能稳定地跟踪参考轨迹,也证明了控制器设计是有效的.      

二体绳系卫星系统冲击效应动力学与试验研究

为了研究冲击效应对二体绳系卫星系统动力学特性的影响，开展了基于绝对节点坐标法的柔性绳索模型及绳系卫星系统运动特性分析研究。首先介绍了绝对节点坐标法柔索模型的建立过程，并进行了动力学仿真实验，在仿真时充分考虑了柔索的轴向刚度矩阵、弯曲刚度矩阵以及质量矩阵，可在不增加计算量的同时保留系绳真实特性。最后，搭建了三自由度的二体绳系卫星地面模拟试验系统，在规格为20 m×30 m的大型气浮平台上开展了试验验证，对末尾释放阶段和初始回收阶段系绳的张力以及子星的运动状态进行了分析。验证结果表明：地面模拟试验与仿真实验相比，系绳张力误差均在5%以内，验证了该建模方法的有效性和所搭建的试验系统的可靠性，同时为绳系卫星的未来发展和地面试验的进一步展开奠定了基础。     

面向未知目标的柔性关节空间机器人滑模控制

针对载荷捕获的空间机器人控制问题,同时考虑机械臂关节柔性和非合作目标质量未知等因素影响,提出一种基于目标质量观测器的滑模变结构控制方法.首先,针对空间非合作目标质量未知问题,设计基于改进的最小二乘迭代算法实现对非合作目标质量在线辨识.进而,采用拉格朗日方法和动量矩守恒原理,建立漂浮基座柔性关节空间机器人动力学模型;针对动力学模型中刚柔耦合特性,基于奇异摄动理论将系统模型近似地分解为快慢变子系统;针对慢变子系统,设计滑模变结构控制器来保证系统的鲁棒性和动态特性;针对快变子系统,设计基于速度差值的反馈补偿控制算法,抑制柔性关节产生的残余振动,保证控制精度.最后,实验分析了快慢变子系统各自的作用机理,验证了控制方法有效性.     

多直升机协调吊挂系统飞行力学建模与特性分析

对多直升机协调吊挂系统中每一架直升机与外吊挂载荷分别建立他们的飞行动力学模型,将弹性吊索视为弹簧阻尼系统,建立弹性吊索数学模型;然后通过弹性吊索动力学将多直升机与吊挂载荷的运动耦合到一起,建立了通用的多直升机协调吊挂系统仿真模型;最后,针对单、四直升机协调吊挂系统建立了仿真验证模型,对直升机协调吊挂系统的稳定性、配平特性进行了分析.仿真结果表明外挂载荷对直升机的稳定性和配平特性产生了较大影响,通过分析证明了仿真结果的合理性,同时证明本文提出的多直升机协调吊挂系统飞行动力学建模方法的可行性.     

绳系拖曳飞行器高抗扰轨迹跟踪控制

针对受未知风扰动作用下的绳系拖曳飞行器轨迹精确控制问题,设计了一种基于最小学习参数神经网络估计器的拖曳飞行器轨迹动态面控制方法。首先,结合绳系拖曳系统多刚体动力学模型,构建拖曳飞行器六自由度非线性模型,并完成其仿射非线性化处理。其次,考虑到拖曳飞行器可能受到前方飞机尾涡、紊流和阵风等未知气流及不可测量瞬变缆绳拉力等扰动的综合影响,构建了基于最小学习参数神经网络的拖曳飞行器状态/扰动在线估计器,以准确重构系统不可测量集总扰动。然后,基于所提状态/扰动在线估计器,设计了一种基于最小学习参数神经网络状态/扰动在线估计器的拖曳飞行器轨迹动态面控制方法,并分析了系统稳定性。最后,仿真表明,所提方法能够在多重气流扰动下实现拖曳飞行器位置稳定和机动轨迹跟踪。      

直升机前飞吊挂飞行动力学响应分析

建立了带吊挂载荷的直升机飞行动力学模型,其中旋翼诱导速度场计算采用了广义动态入流理论模型并添加了畸变项,用以考虑从加速过程的尾迹畸变和附加非定常效应;旋翼气动载荷模型采用了翼型大角度范围插值技术,并结合经典薄翼型理论建立综合的非定常气动载荷模型.还建立了六自由度吊挂载荷模型,其中吊索采用了柔性钢索模型,计入了吊挂模型的气动阻力.通过仿真计算分析了吊挂前飞状态下总距阶跃操纵输入以及前推杆阶跃操纵输入时直升机及吊挂动力学响应历程.     

轴对称零件拉深过程中的最小无皱压边力

对轴对称零件的突缘变形区，动用能量法和二维折线式变位函数，计及材料常数ｎ、ｒ值和板厚变化，揭示了拉深中最小无皱压力的变化规律，指出其最大值明显滞后行突缘变形最大径向拉力的发生时刻，突破了两者基本上同时发生的传统结论计算结果与实验数据符合良好。     

Long term dynamics and optimal control of nano-satellite deorbit using a short electrodynamic tether

This paper studies the long term dynamics and optimal control of a nano-satellite deorbit by a short electrodynamic tether. The long term deorbit process is discretized into intervals and within each interval a two-phase optimal control law is proposed to achieve libration stability and fast deorbit simultaneously. The first-phase formulates an open-loop fast-deorbit control trajectory by a simplified model that assumes the slow-varying orbital elements of electrodynamic tethered system as constant and ignores perturbation forces other than the electrodynamic force. The second phase tracks the optimal trajectory derived in the first phase by a finite receding horizon control method while considering a full dynamic model of electrodynamic tether system. Both optimal control problems are solved by direct collocation method base on the Hermite–Simpson discretization schemes with coincident nodes. The resulting piecewise nonlinear programing problems in the sequential intervals reduces the problem size and improve the computational efficiency, which enable an on-orbit control application. Numerical results for deorbit control of a short electrodynamic tethered nano-satellite system in both equatorial and highly inclined orbits demonstrate the efficiency of the proposed control method. An optimal balance between the libration stability and a fast deorbit of satellite with minimum control efforts is achieved.     

绳索断裂对二维二次太阳翼展开过程影响分析

为识别二维二次太阳翼关键环节和预示其在轨展开故障模式，开展不同位置绳索断裂失效对太阳翼展开的影响程度分析。采用考虑绳索断裂的绳索联动轮力学模型，建立了适应于不同联动轮半径的联动轮受力模型，提出角度触发约束消除方法，解决了太阳翼第2次展开过程连续仿真问题，建立了太阳翼第2次展开动力学方程，分析了不同位置绳索断裂失效对太阳翼各板展开角度、展开构型和其他绳索张力的影响。分析表明，越靠近星体的绳索联动机构失效对太阳翼展开过程的影响越大，其中连接架上绳索联动机构失效可直接导致二维二次太阳翼在轨展开失败。     

基于最速下降法的可展开索网天线型面调整方法

考虑到索网结构的几何非线性和节点位移的高度耦合,为提高索网天线的型面调整效率,需设计合理的型面调整优化方法。文章根据双层索网结构的拓扑关系,将平衡矩阵和柔度矩阵分块化表示,通过偏导方法推导了任意平衡状态下型面误差对于张力阵拉力的梯度公式,利用型面误差梯度的无穷范数确定对型面误差影响最显著的张力阵单元。结合最速下降优化算法,采用型面误差负梯度方向作为优化路径。通过调节张力阵拉力,降低由于索网长度误差引起的型面误差。建立环形桁架天线的双层索网模型,进行型面调整数值试验,结果表明调整后的型面误差已趋近为零。