3PRS/UPS冗余驱动并联机器人刚度特性分布

设计提出了一种采用冗余驱动的3PRS/UPS三自由度并联机器人,并建立分析其机构模型.基于螺旋理论,对并联机器人进行运动学分析,通过分别针对机构的驱动和约束建立了雅可比矩阵,最后整合建立了包含冗余驱动在内的全雅可比矩阵.利用虚功原理,结合并联机器人驱动副和约束副的柔度影响,推导得出了机构全刚度矩阵.同时,分析了机构在给定静载荷条件下的变形情况,总结出机构的空间变形分布规律.使用刚度矩阵的最小、最大特征值和运动刚度指标（KSI,Kinematic Stiffness Index）为机构刚度评价指标,对比和分析了引入冗余驱动前后对并联机器人刚度特性分布的影响,得出冗余驱动支链的引入可提高并联机器人特定方向的刚度和改善刚度分布的结论,为冗余驱动并联机器人优化设计和开发应用奠定基础.      

基于驱动或结构冗余的并联机器人容错方法

研究了并联机器人利用驱动冗余进行驱动器故障容错及利用结构冗余进行关节故障容错的方法.结合冗余驱动并联机构的力矩分配问题的多解性,分析了部分驱动器故障后在剩余正常工作驱动器之间重新分配驱动力矩以实现容错的方法.结合结构冗余并联机构的特点,分析了放弃部分结构自由度以完成操作任务的方法.从运动学和动力学角度讨论了两类冗余机器人的特点及容错的可能性,以一种平面三自由度并联机构为实例,针对驱动器及关节故障分别分析了故障后机构运动学和动力学性能的变化,验证了采用驱动及结构的冗余进行容错的可行性.     

2UPR-RRU并联机构及其运动学分析

针对航天制造中轻金属材料搅拌摩擦焊的焊接需求,提出一种以2UPR-RRU构型的1T2R三自由度并联机构为主要执行机构的焊接装备。基于螺旋理论分析了该构型在一般位型和特殊位型下的约束螺旋系和自由度性质,指出该构型是具有两转一移的全周自由度机构。建立2UPR-RRU并联机构运动学模型,利用闭环矢量法建立动平台位姿与各驱动支链的关系,推导其运动学的正反解;在正解过程中构造优化目标函数,采用粒子群优化（PSO）算法分析了位姿输出与驱动关节输入的关系,得到了驱动输入的精确解。基于输入/输出速度雅可比矩阵分析了机构的奇异性问题,指出该构型避免存在驱动奇异的条件,研究表明该机构具有较好的运动学特性和驱动特性,具备良好的应用潜力。      

Delta并联微操作手运动学的矢量法分析

利用矢量运算的方法,分析了三维平动Delta并联微操作手的运动学特性.基于雅可比矩阵的可逆性,研究了Delta并联机构的正逆运动奇异性问题. 研究表明,微操作手的雅可比矩阵中存在灵敏参数,灵敏参数的大小及方位影响着位移输入与输出间的关系;利用矢量运算方法进行运动学奇异性问题分析更为简洁和直接.     

直线电机气浮精密定位平台设计与控制

为了掌握光刻机工件台的设计和控制技术,建立了双边直线电机驱动的H型气浮精密定位平台,对该精密定位系统的气浮导轨设计方法、双边直线电机同步运动控制等关键技术进行了研究.利用有限元计算方法分析设计了气浮导轨,采用预加载技术提高气浮导轨的承载能力和刚度.实验结果表明:气浮导轨具有较高的承载能力和刚度, X和Y 导轨的竖直方向静刚度为276.9N/μm和333.3N/μm.H型工作台的双边直线电机需要高精度的同步运动控制,传统的串、并联同步控制不能满足精度要求,设计了基于同步速度偏差的改进型并联结构同步控制器,采用模糊控制实现PID参数的自适应整定.实验表明:采用改进的控制器将速度同步精度提高了3倍多,适合于具有强机械耦合的多电机同步运动控制.H直线电机气浮定位平台具有承载能力强(40kg)、精度高(<2μm)的优点,可用于精密工程领域.      

空间光学遥感器高精度6-DOF并联平台设计与实现

高精度六自由度并联平台可精密调整次镜位姿,实现空间光学遥感器地面光学装调及光学像差在轨主动校正。为解决研制高精度并联平台的多指标多约束结构优化设计及高分辨力驱动支链设计2个难点,建立了六自由度并联机构逆解数学模型及ADAMS参数化模型,确定了结构优化目标函数,结合支链长度、铰链转角等约束进行了结构优化设计,得到并联机构结构参数及驱动支链分辨力需达到60 nm的需求。基于此需求,设计了基于“无刷直流电机+滚珠丝杠+光栅尺”的驱动支链,采用PI控制律实现高精度消静差闭环伺服控制,使驱动支链分辨力达50 nm。对并联平台精度进行光学测试,结果表明,平台带载平移分辨力为0.2 μm,转角分辨力为1″,满足指标要求。该平台已成功应用于空间相机的地面光学装调及像差主动校正实验,为在轨应用奠定了理论与实践基础。      

精密离心机半径值动态测试系统

精密离心机半径值动态测试系统采用量块法测量其静态半径值，与动态下利用线位移传感器组件测量其微位移量之和的方法相比较，其工作半径值测量的相对误差达３．３×１０￣（－６）。对静态半径测量所采用的量块法及动态下采用线位移传感器组件测量补偿量的原理、方法、数据处理及误差分析进行了详细论述。此法可推广应用到其他类似的大量程动态测试系统中。     

前列腺癌粒子植入机器人运动学建模和仿真

基于测量的人体前列腺会阴部操作空间和手术过程量化分析,研究了一种3-PCR并联式前列腺癌粒子植入机器人。对于这种对称少自由度并联机构作为位置调整机构,其运动学特性需要深入研究。采用封闭矢量法和Beout消元法建立3-PCR并联机构运动学正、逆运动学方程,通过数值计算验证了正、反解模型的正确性。利用MATLAB进行p点为空间旋量曲线时的运动学仿真,仿真结果表明机构具有较好的运动稳定性,便于实时控制。通过极限边界搜索法求解了该机构姿态为α=β=γ=0°下的工作空间,x=0时的YOZ工作空间截面为15 674 mm2能满足临床手术的要求。      

一种高稳定度太阳帆板驱动机构控制方法

为了提高低轨遥感平台卫星用太阳帆板驱动机构（SADM,solar array drive mechanism）的速率稳定度,降低太阳帆板转动对星体姿态稳定度的影响,在对SADM驱动原理分析和驱动性能测试的基础上,明确了步进电机定位力矩对速率稳定度的影响,并提出了定位力矩补偿方法．在SADM转速和转矩测量平台上,对定位力矩补偿的驱动控制效果进行了测试和对比分析,测试结果表明,采用定位力矩补偿控制方法可以将SADM的速率稳定度提高约一倍．     

过驱动并联机器人驱动力矩的特解构造法

以一种平面三自由度过驱动并联机构为研究对象,分析其运动学方程,并采用虚功原理和等效力方法推导了该机构的动力学模型.讨论过驱动机构的容错性,给出了故障前后驱动关节力矩突变的定义.分析过驱动机构逆动力学方程解的不确定性,从提高机构的可靠性以及容错性角度出发,提出一种新的过驱动机构驱动力矩分配思路,以驱动器集可靠度作为系数乘子,采用故障后力矩分配的确定解构造过驱动机构输入力矩的不确定解.将这种方法与传统的力矩分配方法所得到的各关节力矩突变之和进行比较,数据计算结果表明该方法具有更好的容错性能.      

基于数据融合的MEMS阵列加速度传感器实现方法

针对单MEMS加速度计性能有限无法满足实际工程中日益复杂且严苛的检测需求的问题,提出了一种基于数据融合的MEMS阵列加速度传感器实现方法。首先,设计了MEMS阵列加速度传感器的系统架构,并分析了对数据融合算法的技术需求;然后,针对已有的数据融合技术无法满足MEMS阵列加速度传感器的精度与实时性要求的问题,提出了基于离散对数映射的自整定加权融合算法,在此基础上,设计了MEMS阵列加速度传感器的仿真验证方案。仿真实验结果表明,提出的方法通过三个不同范围MEMS加速度计的阵列集成提高了信号检测能力,相比于最优拼接法其平均损失降低了6.1%,且融合数据精度优于各个加速度传感器的原始仿真数据,是高性能MEMS阵列加速度传感器的有效实现方案。     

MEMS陀螺半实物仿真系统设计

微机电(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)陀螺是基于科氏力原理,用于检测外部旋转的一种角速度传感器。由于MEMS陀螺本身性能的限制,其内部机理研究和接口电路设计的进程发展缓慢。本文通过分析MEMS陀螺的数学模型,并通过将RLC电路与MEMS陀螺特征方程形式进行对比,说明了借助RLC电路建立MEMS陀螺半实物仿真 (Hardware-in-loop Simulation,HILS) 系统模型的可行性。在充分考虑了实际MEMS陀螺的输入/输出项、耦合项和谐振频率调节等完整功能的前提下,完成了MEMS陀螺的HILS系统模型各个功能模块的设计。本文设计的MEMS陀螺的HILS系统模型可实现实际MEMS陀螺的输入输出、谐振频率调节以及角速度检测,并通过一系列实验证实了其性能的可靠性,本设计为将HILS方法应用于MEMS陀螺研究提供了有效的依据。     

支持MEMS的CAD/CAE系统结构研究

CAD/CAE技术在MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)研究过程中具有非常重要的作用.本文首先介绍了用于MEMS的CAD/CAE技术特点,然后研究了MEMS CAD/CAE系统结构,给出了软件支持工具结构框图,指明了解决其中关键技术的途径.CAD/CAE技术的应用,将提高微型机电系统的设计质量,缩短研制周期,使之及早走向工业化.     

石英MEMS陀螺漂移的周期性误差标定及补偿

实验发现石英系列微机电系统(MEMS,Micro Electromechanical System)陀螺仪零点漂移中含有很强的规律性误差,短时间高频采样尤为明显.为提高器件精度和系统性能,研究了其周期性误差各重要参数的特点,以误差分析理论分析了各误差传递系数,提出了一种精确标定方法.实验结果表明经过精确标定和补偿,进一步提高了器件精度和在线长时间补偿效果.说明了本精确标定方法具有良好的补偿效果.      

MEMS固体微推力器阵列发展研究

固体微推力器阵列具备高精度、小冲量、高密度、可战备贮存快速组装等优点,非常适用于进行特殊任务的微/纳卫星、微/纳卫星编队飞行、快速响应卫星.简要介绍MEMS固体微推力器阵列的结构原理、特点以及应用范围,调研国内外MEMS固体微推力器阵列的发展状况.根据调研结果研究得出固体微推力器阵列的关键技术,结合国内外发展现状及相关关键技术提出今后的发展建议.     

MEMS陀螺标度因数误差分析及分段插值补偿

动态条件下,标度因数引起的误差是MEMS(Micro Electromechanical System)陀螺主要误差源之一.为了提高陀螺精度,基于内框驱动式硅MEMS陀螺误差机理,分析了标度因数常值误差、非线性误差以及不对称误差的物理起因,构建了标度因数误差数学模型,提出了对陀螺标度因数按照角速度大小分段插值的补偿方法,消除了转速引起的陀螺标度因数误差.试验结果表明:MEMS陀螺标度因数误差高达4053.2(°)/h(1 σ ),采用分段插值法补偿后陀螺误差减小到79.0(°)/h(1 σ ),补偿精度比一次拟合及分段法分别提高了15.4倍和7.5倍,验证了MEMS陀螺标度因数误差模型的正确性,证明了标度因数实时分段插值补偿方法的准确性和适用性.      

微机电系统技术及其在航天器上的应用展望

微机电系统是指集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、各种接口、通信电路和电源等于一体的微型器件或系统。随着科学技术的发展,微机电系统在精度和可靠性方面都有了很大的提高,得到了越来越广泛的应用。论述了微机电系统的技术特征、主要技术和加工工艺,并展望了微机电系统在航天器上的应用前景。     

微重力环境中的气体质量流量控制器研究

提出了一种高可靠气体质量流量控制器设计. 介绍了该流量控制器的原理和结构. 通过比较不同的气体流量传感器和阀门, 选择了可满足空间科学实验设备可靠性要求的MEMS传感器和针阀. MEMS质量流量计的输出电压(代表实际气体流量), 经过减法电路放大和A/D采样之后, 与设定电压(代表设定的气流流量)进行比较, 差值信号输入给PID控制器, 由其输出步进电机的控制脉冲数和方向, 步进电机驱动器驱动电机调节流过针阀的气体流量, 使之与设定流量相等. 给出了利用该气体质量流量控制器控制氧气流量的实验结果. 该系统可实现流量的灵活调节, 并具备空间科学实验设备所要求的性能, 为未来在空间利用气体流量连续可调的质量流量控制计进行燃烧科学实验奠定了基础.      

MEMS陀螺随机误差的建模与分析

为了更全面地了解微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical Systems)陀螺仪的随机漂移误差随时间变化的特性,利用动态Allan方差分析法对MEMS陀螺仪输出信号特性进行了全面分析.首先介绍了Allan方差和动态Allan方差分析法原理,然后分别利用Allan方差分析法和动态Allan方差分析法对MEMS陀螺仪的实测数据进行了特性研究与性能分析.研究结果表明:速率斜坡、量化噪声和速率随机游走是MEMS陀螺的主要随机噪声,并且MEMS陀螺的随机漂移具有随时间变化的不稳定性.动态Allan方差不仅可以分离和辨识出MEMS陀螺的主要随机误差源,而且可以跟踪和描述信号随时间变化的稳定性,因此动态Allan方差较经典Allan方差分析法能够更全面地表征MEMS陀螺仪的性能.     

小波阈值去噪法在MEMS陀螺信号处理中的应用

近年来MEMS陀螺发展迅速，应用广泛，但性能参差不齐。为改善MEMS陀螺的输出信号性能，综述了近年来小波阈值去噪法在该领域内的研究进展情况。重点从阈值函数的不同改进形式、阈值选取方式的不同以及分解层数三方面对比分析各小波阈值去噪法之间的优缺点。通过现阶段的去噪效果评判标准，结合MEMS陀螺信号的特点，对近年来小波阈值去噪的应用情况进行分析说明，总结小波阈值去噪法在不同使用条件下对MEMS陀螺信号处理上的优势与不足，为后续相关研究提供一定的参考价值。