基于支链受力分析的Stewart平台球铰间隙误差补偿方法

为减小球铰间隙误差对并联机构动平台运动精度的影响,以Stewart并联机构为例,借助静力学分析对球铰间隙误差进行了标定和补偿.首先,采用序列法对机床结构误差及球铰间隙误差进行了标定.其次,采用螺旋理论分析了该机构运动支链的受力状态,进而得到支链在分别受拉力和压力时球铰的作用状态,从而推导出了球铰间隙误差的补偿算法,并通过试验方法对该算法进行了验证.结果表明,基于静力学分析对球铰间隙误差进行相应补偿,可以明显提高并联机构动平台的运动精度.本文提出的针对球铰间隙误差的有效补偿算法为并联机构运动误差的实时补偿提供了参考.     

26 m射电望远镜副面调整机构误差分析

新疆乌鲁木齐南山26 m射电望远镜（NSRT）采用 Stewart 并联机构实现副反射面（简称副面）五自由度运动调整。为确保并联机构的运动精度能满足射电望远镜高精度的指向要求，对影响副面调整机构运动精度的各项误差进行了分析。几何误差模拟结果显示，为使并联机构达到要求的精度，应保证杆长误差小于0.08 mm，铰链误差小于0.04 mm。通过对实测结果与仿真结果分析比较，得出回零误差是造成并联机构误差的主要原因。由于并联机构的回零检测装置主要由增量式编码器与限位开关组成，其中限位开关反馈信号的异常，会引起并联机构的回零误差，分析得到该因素是造成NSRT副面并联机构工作偏差的主要原因，这对并联机构的误差补偿具有指导意义。     

基于并联构型的飞机装配调姿定位机构精度研究

针对飞机装配中机身壁板等组件调姿定位问题,本文首先提出了一种基于3-UPS并联构型的飞机装配调姿定位机构,该机构可以实现飞机组件装配的6自由度调姿与定位.同时,为提高飞机组件装配精度,分析了各运动副铰链间的误差间隙对飞机装配调姿定位机构姿态的影响,并据此建立了3-UPS并联机构的有效杆长模型.进一步地,基于并联机构位置正解得到了飞机装配调姿定位机构的定位精度模型.最后,通过MATLAB仿真分析了间隙的存在对机构运动精度的影响,为基于3-UPS并联机构在调姿定位中的控制补偿提供了理论基础.     

改进Delta并联机构运动可靠性分析

 运动精度是评价机构质量的重要考核指标。以往并联机构运动精度分析中,往往不考虑输入误差的随机性,造成评价结果不准确。首先应用齐次坐标变换,推导了改进Delta并联机构的位置反解公式。基于位置反解和一阶泰勒展开,建立了包含机构尺寸误差、转动副间隙误差和驱动误差的机构位置误差计算模型。利用该误差模型,考虑各个原始输入误差的随机性,推导了机构运动可靠性数学模型,给出了评价机构运动可靠性高低的量度和计算方法。运动可靠性是机构运动精度高低的更本质的衡量指标。运动可靠性分析是机构优化设计和误差补偿的基础。     

空间光学遥感器次镜定位平台的设计与测试

为实现光学望远镜高质量成像,次镜的调整系统要求具有精密定位、高承载能力以及较高的相对精度等特点。基于该特点,设计了一种次镜定位六自由度并联平台,对该并联机构进行运动学分析、力分析以及误差分析。根据给定误差,对并联平台促动器以及关节铰链进行设计。最后,对平台的技术指标进行测试。测试结果显示,并联机构相对精度≤1.2%,分辨率0.5μm,并联机构的轴向刚度≥40 N/μm。系统的旋转中心可以任意放置在运动限制范围内,能够实现望远镜次镜的精密定位任务。     

冗余驱动消除并联机构奇异研究

对空间并联机构的奇异性和冗余驱动消除机构奇异进行了研究。以Park关于奇异的分类为基础,明确指出了冗余驱动能够消除机构驱动奇异的原因,给出了冗余驱动个数与奇异空间降维关系的比较严格的数学推导过程。还对一种3自由度冗余并联机构的奇异性进行了分析,指出了其奇异空间的形状,并对冗余驱动消除奇异的效果进行了研究。其结果证实了冗余驱动与奇异降维之间的关系,对于进一步提高并联机构的性能提供了参考。     

民用飞机铰链式襟翼运动机构运动误差分析

主要对民用飞机铰链式襟翼运动机构运动误差进行了分析。铰链式襟翼运动机构是目前国内外民用飞机主要采用的一种运动机构。采用极限误差累积的方法,详细分析了造成襟翼运动机构运动误差的各种原因,并对其造成的误差进行了分析。通过误差的分析,可以保证在满足飞机性能的同时,又很好地控制了飞机的成本。     

考虑铰链间隙的投放机构动力学特性分析

为了分析铰链间隙对机构运动特性的影响，针对一种投放机构，通过对模型进行分析，将其简化为一个四连杆机构，建立投放机构的非线性弹簧阻尼模型，同时采用库仑摩擦描述机构间隙处的摩擦作用，并将建立好的模型导入到Adams仿真分析软件中，进行动力学特性分析。仿真分析结果表明：利用Adams软件可以有效地建立含铰链间隙的投放机构动力学模型，分析间隙对机构在开启过程的影响，仿真结果能够预测铰链间隙对机构运动特性的影响，为机构的设计和优化提供依据，并有利于在工程方面的应用。     

Optimal Design of Stewart Platform Safety Mechanism

提出了基于连杆空间优化设计一种在整个杆长范围内可以随意运动的安全机构的思想。通过分析得出了 Stewart 平台型并联机构的 16 种极限状态,利用同伦法和奇异点判别条件对极限状态的奇异点进行了求解,得到连杆长度的最大值,并通过实例分析了机构在极限状态间运动时铰链转角和连杆间距离的变化情况。然后综合考虑各项约束条件,提出了安全机构检验算法。以极限状态的条件数均值最小为优化目标优化机构的所有结构参数,设计出具有较好的全局运动性能的安全机     

一种基于超导的重力梯度敏感结构分析

 为了构建小型化全张量重力梯度测量系统,提出一种轴向分量与交叉分量同时敏感的基于超导的重力梯度敏感结构。基于螺旋理论分析两分量敏感结构的自由度,利用自由空间的运动螺旋系与互逆原理得到约束螺旋系,进一步得到具有冗余约束的对称约束构型,并选择柔性元件构建并联机构形式的两分量敏感结构,利用柔性虎克铰的横向与竖向柔性铰链实现等效球铰的功能。然后分析转臂质量沿轴移动与绕轴转动时柔性元件的变形,根据几何关系与功能定理得出两分量敏感结构的沿轴移动刚度与绕轴转动刚度。通过实际参数的计算,明确了各参数对结构刚度的影响,仿真结果验证了分析过程的准确性。     

Failure treatment strategy and fault-tolerant path planning of a space manipulator with free-swinging joint failure

Aiming at a space manipulator with free-swinging joint failure, a failure treatment strategy and fault-tolerant path planning method is proposed in this paper. This method can realize failure treatment of a space manipulator with free-swinging joint failure through determination of the optimal locked joint angle and dynamics model reconfiguration. Fault-tolerant path planning is realized by the establishment of the degraded workspace with integrated kinematics performance (DWWIKP) and an improved A-Star (A1) algorithm. This paper has the following contributions. The determination of the optimal locked joint angle can ensure that the manipulator is able to continue follow-up tasks while maximizing the workspace of the manipulator after locking the fault joint. Underactuated control of a high degree-of-freedom (DOF) manipulator can be effectively solved through dynamics model reconfiguration. The analysis process of the dynamics coupling relationship can be applied to cases where the active joint and the passive joint are parallel or perpendicular to each other. The establishment of the DWWIKP can demonstrate the kinematics performance of the manipulator in both joint space and operation space comprehensively. The improved A1 algorithm based on the integrated kinematics performance index (IKPI) can search a fault-tolerant task trajectory that satisfies the requirements of reachability and the overall kinematics performance simultaneously. The method proposed in this paper is verified by a 7-DOF manipulator, and it is available to any DOF manipulator with free-swinging joint failure.     

冗余铺丝机械手自运动流形分析及优化

针对传统位姿分离式铺丝机械手灵活性不足的特点,为了提高航空复合材料铺丝过程的灵活性和避障碍能力,提出一种位姿耦合式冗余铺丝机械手自运动流形的新算法。由于冗余铺丝机械手各关节之间的强耦合性增加了逆解的求解难度,该算法将冗余铺丝机械手的关节逆解分解为已知的Paden-Kahan旋量子问题以及由位置关节组成的特殊旋量子问题,并针对特殊旋量子问题进行求解得到冗余铺丝机械手全部逆解,这样相对于位姿分离式解法有效提高了冗余铺丝机械手逆解的求解效率以及求解直观性。由于冗余铺丝机械手的逆解呈现出流形的结构,所以根据冗余铺丝机械手自运动流形的多维特性,将冗余铺丝机械手的自运动流形分别映射到位置关节空间和姿态关节空间得到其三维仿真曲线。由于冗余铺丝机械手逆解流形中的优化流形在实际控制中更具应用价值,所以在铺丝机械手末端执行器沿芯模轨迹运动速度平稳的前提下为了使机械手各关节速度变化最小,提出以冗余铺丝机械手关节速度组成的约束泛函为目标得到相应的运动学优化流形,并为后续的最优控制奠定了基础。最后以某型号飞机S形进气道为例验证了所提方法的可行性。     

Stewart平台铰点工作空间的研究

针对并联六自由度运动平台工作空间大小与结构尺寸参数评价关系问题进行了探讨,提出了6-6结构六自由度并联机构铰点工作空间的概念,并以此出发建立了工作空间大小与尺寸参数的联接关系表达式,从而实现了直接依据工作空间大小进行结构尺寸设计而不必进行大量工作空间反复核算。通过仿真实验不仅验证了投入使用的飞行模拟器六自由度运动平台结构设计的合理性,而且依据铰点工作空间的原理构造出Stewart平台位置可达工作空间。此方法既为系统总体结构参数合理选择提供理论依据,又对Stewart平台工程设计提供机构边界运动范围,为工作空间的分析与综合提供了新途径。     

柔性冗余度机器人改善频率特性的研究

对改善柔性冗余度机器人的频率特性进行了研究。首先分析了影响柔性机器人固有频率的因素,得出了在结构参数不变的情况下可以通过适当调整关节运动参数来提高机器人固有频率的结论。然后分析了机器人的自运动与关节运动参数之间的关系。在此基础上,提出了在保证末端名义运动不变的情况下通过规划柔性冗余度机器人的自运动调整关节运动参数来提高系统的固有频率,以避开动力奇异并改善机器人动态性能的方法,此外给出了相应的优化算法。最后通过数值仿真验证了该方法的有效性。     

机械臂辅助舱段转位轨迹跟踪控制与精度分析

舱段转位是空间站机械臂的核心任务之一,舱段转位过程中的高精度控制是保证实验舱与核心舱径向对接的重要前提。通过建立转位过程的高保真度仿真模型,分析了不同的整臂控制策略及关节控制策略对转位过程中机械臂轨迹跟踪精度的影响;指出了提高整臂控制精度需要整臂控制和关节控制协调设计,提高关节伺服控制带宽和降低关节目标速度频率都是提高机械臂末端跟踪精度的有效方法。     

量化六自由度并联机构工作空间的六维超椭球体计算方法及其应用

基于头盔伺服系统执行机构的结构优化设计需求,提出了一种量化六自由度并联机构工作空间的六维空间超椭球体的计算方法,该方法的计算过程包括二维包络椭圆的求解和六维超椭球体的计算两部分。首先,重新总结和归纳了包络椭圆的定义,提出了包络椭圆的计算方法,在计算过程中提出了椭圆中心坐标修正步长、包络椭圆的两半轴长修正因子以及纵轴半轴长修正步长等概念,实现了对椭圆中心和半轴长的动态修正,提高了包络椭圆计算的准确性和智能化水平,采用调整系数来实时修改修正步长,保证了计算过程的收敛性;其次,给出了判定包络椭圆的条件和方法,方便了对计算方法有效性的验证;再次,提出了根据投影面内包络椭圆几何信息求解六维超椭球体的方法;最后,对包络超椭球体的计算方法进行了实例计算与验证,并通过实例计算对该方法用于六自由度并联机构工作空间优化的可行性和实用性进行了验证。结果表明:各投影面的包络椭圆均符合判定条件,即本文对包络椭圆与超椭球体的计算是准确的;优化结果对应的工作空间内接六维超椭球体能完全包含目标工作空间的包络超椭球体,即采用超椭球体来量化和优化六自由度并联机构工作空间是可行的,且具有较好的实用性。     

利用二次优化实现柔性冗余度机器人关节力矩最小化研究

对基于振动抑制的柔性冗余度机器人关节力矩的最小化进行了研究。通过分析影响柔性机器人弹性动力响应的因素,得出了在结构参数不变的情况下可以通过适当调整关节运动参数来提高机器人动态性能的结论。在此基础上,通过对柔性冗余度机器人的关节运动进行研究,提出了通过自运动的适当选取从而抑制机器人柔性振动的方法。通过对满足抑振要求的自运动的选取进行分析,指出柔性冗余度机器人在实现振动抑制的基础上还具有二次优化的能力,并且利用这种二次优化的能力得出了基于振动抑制的最小化关节力矩的方法。数值仿真验证了该方法的有效性。     

柔性冗余度机器人振动的分析与控制

应用最优控制理论,对柔性冗余度机器人振动控制问题的原理与策略进行了研究。把主动控制思想应用于机器人振动控制中,提出了控制柔性冗余度机器人振动的一种方法。这种方法通过规划机器人的自运动加快系统振动能量的消耗以实现主动振动控制。此外,通过对满足抑振要求的自运动的选取进行分析,指出柔性冗余度机器人具有二次优化的能力,这对于提高机器人的工作性能是十分重要的。最后通过数值仿真验证了该方法的有效性。     

平面五杆并联机构优化的自重构方法

并联机构机械臂具有工作空间小、运动学和动力学运动特性复杂的缺点。基于优化技术,各种并联机器人运动综合技术只能相对地提高机械臂的运动性能,不能保证一定能得到满足实际要求的设计结果。本文提出了机构的动态重构思想,并以五杆并联机械臂为具体对象,研究了机构运动学各向同性的最优综合设计问题,指出可重构并联机构的两种运动阶段：正常运动阶段和机构重构运动阶段,这两个运动阶段可以采用统一的运动性能评价方法进行研究,从理论和方法上指出了一条从本质上提高并联机构运动性能的方法,以平面五杆并联机构为对象给出了计算实例和具体方法。     

柔性冗余度机器人运动灵活性的研究

 对改善柔性冗余度机器人的运动灵活性问题进行了研究。首先分析了机器人的关节速度与其运动灵活性之间的关系;然后利用柔性冗余度机器人的二次优化能力,进一步研究了改善柔性冗余度机器人运动灵活性的问题,通过泰勒级数展开的办法把振动的抑制从加速度级等效转化到速度级,从而可以在速度级上同时实现振动的抑制和灵活性的改善,并给出了在抑振的同时改善机器人运动灵活性的方法。最后通过数值仿真验证了该方法的有效性。