航空制孔末端执行器中调姿机构的设计与实验

针对飞机装配中的机器人制孔垂直度问题,设计了一种双偏心盘调姿机构.首先采用4个激光传感器测量工件制孔点处的法向量,求出钻头中心线与调姿平面的交点.然后计算调姿机构需转过的角度,调姿电机驱动该调姿机构对钻头姿态进行调整.该机构的特点是在保持钻头顶点不动时,调整钻头姿态.因此,避免了二次移动钻头位置.最后,在ADAMS中对该调姿机构做了仿真,并在机器人制孔平台上做了制孔实验,验证了其原理的正确性.      

飞机侧壁部件装配调姿机构的设计与分析

分析了等曲率和变曲率2类飞机侧壁部件的几何特点以及对柔性装配调姿的功能需求,设计了一种新型的面向大型飞机侧壁部件数字化装配的柔性工装机构;该机构基于精密三坐标定位器对侧壁部件进行装配调姿,可等效为6自由度并联机构,通过4条支撑臂对侧壁部件进行夹持;定位器呈前后2排、前低后高布局,能够实现对侧壁部件空间6自由度位姿调整;对工装机构进行了位姿反解,根据侧壁部件的初始位姿和目标位姿反向求解出各支撑臂的关节变量,并利用计算机仿真模型进行了验证,证明了反解算法的正确性,为侧壁部件调姿运动的精确控制奠定了基础.      

可移动月球着陆器系统设计与实验验证

针对无法主动调姿和灵活漫游的传统星表着陆器不适用于未来大范围星表探测和星表基地建设等任务的问题,提出了一种可移动月球着陆器.首先,介绍了可移动月球着陆器的系统组成以及各子系统的组成;其次,介绍了可变构型式本体和缓冲/驱动集成式缓冲器的功能及实现;然后,建立了缓冲/行走一体化腿足机构的运动学模型,设计了减少调姿次数的直线...     

基于变分迭代的航天器相对姿轨耦合动力学解算方法

针对航天器相对姿轨耦合一体化运动,在定义坐标系下利用对偶四元数和旋量表示航天器的一般运动,推导出航天器六自由度运动学和动力学模型,并分别采用Runge-Kutta四阶算法和变分迭代法的配点形式求解该非线性模型。变分迭代法的配点形式是变分迭代法与配点法的复合,本文先给出变分迭代法的迭代方程,再把迭代方程应用到局部时间区间上探讨了局部变分迭代法,然后把变分迭代法与配点法结合得到数值迭代方程。利用对偶四元数所建立的模型相对于其他模型较为简洁,便于分析姿轨耦合特性。仿真结果表明,相比Runge-Kutta四阶算法,变分迭代法的解算精度更高。     

6-3 Stewart平台位置正解的机构简化数值方法

针对提高Stewart平台运动学位置正解速度的问题,分析了传统基于速度雅可比的数值迭代方法,并对6-3 Stewart平台结构提出了一种基于机构简化的位置正解数值方法.将6-3 Stewart平台等效为虚拟3-RPS并联机构,通过牛顿-拉夫逊方法对其进行位置正解,并将结果解算为实际机构上平台位姿.设计了一套液压6-3 Stewart平台实验系统,并通过实验证明,与传统方法相比,该方法能减少近50%的迭代次数和约85%的解算时间.该方法概念清晰,机构等效计算简单,对3-RPS并联机构的位置正解计算量明显减少,在目前主流工控机处理器上可满足控制周期0.1 ms实时控制的位置解算需求.     

考虑壁板单向压紧制孔瞬时回弹的压紧力优化

飞机大部件对接自动化制孔采用蒙皮侧单向压紧制孔技术，而由于在常见的自动化制孔系统中叠层材料被钻透的瞬间产生瞬时回弹，对制孔设备和加工质量等方面造成严重的影响，针对该问题进行机身蒙皮侧制孔压紧力优化分析。通过有限元分析方法进行制孔过程的模拟仿真，根据不同环境下的回弹现象，确定压紧力优化分析方案，综合考虑接触间隙、瞬时回弹和制孔刚性的影响，进行多目标优化分析，从而得到最优的压紧力工艺参数。计算结果表明，在飞机常见框间对接段自动化钻孔中，采用轴向力为150 N的麻花钻时压紧力的最优解为314.54 N，采用轴向力为100 N的自动化一体钻时压紧力的最优解为362.73 N。通过现场试验，压紧力最优解满足生产要求，实际最优压紧力低于最优解不超过20 N，因此考虑不同加工环境等因素构建合理的工艺参数选定范围。      

一种改进的基于双矢量观测的姿态确定算法

为了提高飞行器姿态确定的精度和姿态矩阵的解算速度,提出了一种改进的双矢量定姿算法.这种算法利用测量系统的方差对两个观测矢量进行加权处理,求得一个新的矢量,以两观测矢量夹角为判断依据选取加权系数;以新矢量为基准矢量,利用双矢量定姿算法求解姿态矩阵,并对求得的姿态矩阵进行修正.仿真结果表明:这种算法所需时间为优化算法的50%,当两个传感器测量误差不同、两矢量为任意夹角时,这种算法比优化的双矢量算法精度高;当两个传感器测量误差相同时,除了两矢量夹角为90°外,这种算法均比优化的双矢量算法精度高.     

9自由度混联微创外科机器人的正反解

针对北京航空航天大学机器人研究所最新开发的用于胸腹部冷冻穿刺手术的9自由度"5R+4T"混联机器人,基于指数积公式,利用反变换法和逆矩阵的特性,提出了一种在单约束条件下,得到该机器人解析形式正反解的新算法.通过数值算例验证了正反解的互推性,即算法的有效性,并经过对算例的分析给出了修正方案,扩大了算法的适用范围.该方法克服了因为混联机器人自由度多、结构复杂而带来的难以完成正反解计算的困难,为多自由度混联机器人的运动学求解提供了一种新的思路.      

一种解析和数值相结合的机器人逆解算法

针对不存在解析逆运动学解的机器人结构,提出一种解析与数值相结合的求解算法.将传统的算法简化为寻找一个合适的目标函数,对一维关节变量进行迭代求解,其余关节变量可以用解析式求得,从而将逆运动学的多变量迭代求解问题简化为一维变量迭代求解.利用该算法对一种不存在解析逆解的5自由度机器人进行解算,耗时不足0.3ms,计算速度优于传统的算法.这种算法的实时性和准确性满足了机器人实时控制的要求,不需要进行正运动学计算,可以解决大多数关节正交结构的机器人逆运动学问题.      

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。      

一种含闭环支链的新型并联机构设计与分析

为满足航天飞行器壳体套装过程中位姿调整机构刚度大、精度高的要求,对传统的支链结构进行有针对性的改进,设计了一种支链为闭环结构的新型5-U（RRP）S/（8U）PU并联机构,并进行了分析研究。应用螺旋理论计算机构的自由度;建立封闭矢量方程,进行运动学正反解;应用螺旋理论求解机构的全雅可比矩阵;利用杆长约束条件绘制机构的定姿态工作空间;通过求解静刚度矩阵分析机构的刚度随位姿的变化情况;利用软件进行仿真,并与一般机构进行对比。通过分析,验证了该机构的可行性和实际应用价值,为实现航天飞行器壳体套装的自动化奠定基础。      

机器人旋转超声钻削铝合金叠层构件毛刺特性

针对铝合金叠层构件机器人制孔容易产生钻削毛刺，严重影响飞机装配精度和效率等问题，提出基于弱刚度环境下机器人旋转超声制孔毛刺高度的计算方法。首先，通过实验验证了高频的振动冲击对毛刺高度的影响规律，建立了机器人旋转超声钻削铝合金叠层构件的钻削力经验公式。然后，结合经典薄板弯曲理论和能量法，分析了超声振动及钻削位置刚性对机器人钻削铝合金叠层板毛刺形成的影响机制。实验结果显示:所提计算方法的相对误差在13%以内，具有较高的精度。      

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。      

腿臂融合型在轨装配机器人运动建模与步态规划

针对目前机器人在轨装配存在的作业效率低、空间操作受限、环境感知不完全等问题，提出一种腿臂融合型在轨装配机器人。首先，使用D-H法建立了腿臂融合型装配机器人运动学模型，并对其单个腿部进行正逆运动学分析，得到单个腿各个关节角和足端之间的运动关系；其次，分析了腿臂融合型装配机器人的行走步态和装配步态，行走步态中分析了二步态和三步态，装配步态中分析了单臂装配和双臂装配，使机器人达到平稳的行走和装配；最后，基于ROS(robot operating system)搭建仿真平台并对行走步态进行了仿真验证，结果表明提出的方法能够有效用于该机器人的行走。     

空间6R串联机器人机构位置逆解新算法

将倍四元数的复指数形式应用于串联机构位置逆解分析中,提出了空间6R(R代表转动副)串联机构位置逆解新算法.基于倍四元数建立了空间6R串联机构位置逆解的数学模型;然后,使用线性消元和Dixon结式消元法,得到了6×6的结式;由于采用未知转角的复指数形式,不需要提取任何公因式,可直接获得该机构位置逆解的一元16次输入输出方程和全部16组封闭解.最后通过数字实例证明了该方法无增根无漏根.算例表明算法简洁,易于程序实现,为串联机构位置逆解分析提供了新的理论基础.     

蒙皮柔性夹持数控切边的工艺设计方法

针对可重构柔性工装配合五轴铣床实现蒙皮数控切边这一新技术,进行了工艺设计方法研究.首先介绍了数控可重构柔性工装的定位原理、结构原理以及基准传递协调原理.针对新技术应用中合理布局、精确定位和稳定夹持等3个问题,进行了工艺分析研究.突破了曲面零件装夹姿态定位算法、支撑立柱升程计算、自动化布局设计和装夹过程仿真等关键技术,开发了面向新装备新技术的工艺设计仿真系统.应用任意拉格朗日-欧拉法实现了蒙皮切边过程的有限元仿真,给出了仿真实例.选择某型号飞机镜面蒙皮零件,应用所提出的工艺设计方法进行了工艺试验,对试验结果进行了误差分析,结果表明加工精度满足制造要求.     

双三角翼飞机气动力工程计算研究

 双三角机翼比三角机翼气动布局具有更优越的升阻特性.飞机空气动力的工程计算是用数值方法寻求飞机最优设计方案的基础.采用基于面积比思想的半经验工程算法计算了双三角翼飞机的升力系数曲线斜率、零升阻力系数和诱导阻力因子.结果经风洞试验数据校验,精度完全能满足飞机方案设计要求.算法在某改型飞机方案设计中得到了成功的应用.