一般三支链并联机构正解算法

针对含复合铰链的3RPS并联机构在制造装配中实际结构参数不等于名义结构参数的问题,设计了一种考虑全部结构参数的一般三支链并联正解算法.一般三支链并联机构是3条支链共同支撑1个平台,每个支链结构均为一般5自由度串联机器人,其中只有一个运动副是主动副驱动的三支链并联机构.算法基于对偶四元数和DH方法表达支链方程,该算法考虑了一般三支链并联机构总共78项几何参数.可用于一般三支链并联机构的精度分析、精度综合、精度补偿和精确的运动仿真.算法经过反复计算验证,具有准确、稳定、速度快的特点,并且将3RPS,3_5R,3_RPUR,3_RPRRR等构型统一在一个数学模型中.      

特殊复合球铰3-RPS并联机构及其连续刚度模型

采用矢量微分法研究了在大载荷作用下,兼顾支链和铰链刚度以及雅克比矩阵变化等影响因素的3-RPS并联机构完整连续刚度模型.基于螺旋理论分析了3-RPS并联机构支链及铰链构件所受作用力与机构外载荷之间的力平衡关系.采用矢量微分法分析了3-RPS并联机构动平台位姿变化与支链及铰链构件变形之间的关系.采用矢量微分法对机构的力学平衡方程进行微分,建立了完整的连续刚度模型,最后进行了数值模拟分析,结果表明并联机构刚度受载荷和位姿变化影响,简化刚度模型与完整刚度模型在工作空间边界处差值较大.     

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.      

基于有限元3-RPS并联机床轻量化优化设计

为了减轻3-RPS并联机床质量,提高其刚度,分别对静平台与支链进行了结构改进.采用连接单元模拟机床中运动副,对并联机床静刚度进行有限元分析.通过分析结果获得静平台的刚度薄弱环节、支链的变形及其对机床变形的影响规律.在静平台刚度薄弱处增加抵抗变形的筋板,并通过减小其框架尺寸的方式优化静平台结构.采用悬臂梁模型分析支链的变形,以支链质量和变形乘积最小对支链进行尺寸优化.改进后的并联机床质量显著减轻,机床变形明显减小.优化结果能够提高机床动态响应性能以及机床精度.     

3DOF并联加载机构静力学和静刚度分析

基于螺旋理论建立了用于数控机床随动加载的3自由度并联机构的静力学方程,得到机构的驱动力与动平台所受外载的映射关系,方程考虑了支链重力对静力学模型的影响,通过算例绘制了在指定载荷下机构驱动力在工作空间内的分布曲线图.在考虑支链重力和在约束力下支链弹性变形对刚度影响的情况下,建立了机构的静刚度模型,分析了给定静载荷条件下机构在定姿态空间内的变形分布情况,并评价了机构的刚度性能,结果表明机构的刚度特性关于y轴对称且在工作空间的边界刚度变差.     

模块化抛物面折展机构设计与优化

抛物面天线作为卫星上重要的功能组件，是实现遥感测量和无线通信等功能的基础。为了解决模块化抛物面天线折展机构构型设计与刚度匹配困难的问题，提出一种基于剪刀机构的肋单元折展机构的构型方法，并设计了肋单元折展机构。通过运动学分析，验证了该机构通过参数的修改，可以实现同一折展机构展开状态包络不同抛物面拟合球面。给出一种包络锥法实现多模块折展机构展开过程的求解思路，为可转动肋单元的运动副配置提供依据。构建多模块折展机构的有限元模型，以提高固有频率和降低整体质量为优化目标，对肋单元折展机构的构型参数进行优化。采用非劣排序遗传算法完成优化迭代计算,得到具有高刚度、轻量化的折展机构设计参数，在相同条件下优化后调和平均固有频率提高了67.4%，天线整体质量下降了35.2%。     

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。      

3UPS-S并联机构单支链驱动奇异分析

并联机构进行单支链驱动时,由于受到其他支链的约束,不能实现全行程范围运动.为了分析并联机构单支链驱动受限的本质原因,采用旋量互易积的方法,计算单支链驱动的轴向速度分量.从计算结果可知,轴向速度为零时,单支链驱动到达边界.并联机构在输入空间发生驱动奇异,同时在工作空间发生位姿奇异,因此并联机构的驱动奇异就是位姿奇异.通过分析输入输出速度关系,并联机构到达输入空间边界.最后给出了并联机构单支链驱动的一般策略.      

基于Bennett机构的柱面拟合可展机构设计及分析

可展机构既可展开至指定构型用于工作,也可收拢以便于运输,在航天和建筑等领域具有广阔的应用前景。本文提出并设计了一种以Bennett过约束机构为基本组成单元的可展机构,该机构的工作形面可拟合柱面,且具有全部杆件可紧凑折叠成一束的收拢构型。对Bennett机构进行了几何描述,并分析其运动学特性;利用剪式机构实现了单元机构的组合连接,保证了设计关键点准确位于目标参数曲面上,计算了所设计的可展机构的展收比;对机构的运动学及动力学性能进行了仿真分析,验证了所提出的设计,为后续的样机研制提供了理论依据。验证结果表明:本文提出的Bennett过约束机构单元组合简单、形面拟合精度高、刚度大,能够很好地应用于该圆柱面天线的设计。该研究对航天可展机构的设计分析具有参考价值。     

构架式可展开天线自由度与奇异性分析

针对以四面体为基本单元的构架式空间可展开天线,基于螺旋理论分析了多环耦合机构3RR-3RRR基本单元及多单元组网的自由度,降低分析此构架单元过约束与奇异性的复杂性。首先,根据螺旋理论能同时表示运动副轴线的位置和运动副类型的特点,建立了3RR-3RRR单元各铰链的运动螺旋并求解出单元过约束数;其次,运用修正的Kutzbach-Grübler公式求解出此单元的自由度,并分析出在特殊位形下的奇异性和瞬时性;最后,多单元组网成一个复杂耦合机构,采用等效构型的方法简化组网结构可得此天线反射器收展所需自由度,再通过计算各花盘的相对间距来验证构架可展开天线的收展协调性。研究表明构架式天线反射器3RR-3RRR四面体单元为单自由度机构且含有4个过约束,便于机构的展开控制,在同步杆铰链处于特殊位形下有约束奇异。组网后反射器桁架系统是单自由度机构,机构在单驱动运动过程中可展开完全,实现构架可展开天线各杆件在工作时运动协调,在空间机构领域具有良好的应用性。     

模块化空间折展机构研究现状与展望

模块化空间折展机构具有拓展灵活、通用性好、适应性强等特点，可满足长距离深空探测、长期在轨空间站建设和超广域卫星通信等重大航天工程对大型/超大型空间折展机构的需求，是一种新型关键的航天装备。针对应用需求，阐述了模块化空间折展机构领域的研究进展，重点介绍了伸展臂、太阳翼和空间可展开天线等3类折展机构中具有模块化特征的典型构型，分析了模块化空间折展机构的结构组成、展开原理、驱动方式及应用现状，从机构创新设计方法、地面微重力试验及仿真、空间在轨装配技术、空间在轨建造技术等4个方面，展望了模块化空间折展机构未来的发展方向，旨在为大型空间折展机构的研究和应用提供借鉴与参考。     

一种新型并联灌注机器人运动学分析和多目标优化

针对大型航天器蜂窝结构灌注需求,提出一种新型串并混联灌注机器人机构,主要对并联机构进行分析研究。首先,对3PSS-PU并联机构进行了运动学分析,建立了运动学反解数学模型和雅可比矩阵;其次,确定了影响机构工作空间主要因素的约束条件,求解出了机构的工作空间;然后,建立了机构的刚度模型,求得机构在运动过程中的刚度变化分布;最后,利用遗传算法,以工作空间和全局刚度为目标对机构结构参数进行优化分析,确定了最终的机构尺寸参数,为蜂窝灌注机器人应用奠定基础。      

基于冗余驱动的大姿态角并联机构优化设计

分析了并联机构的姿态空间,指出了影响姿态空间的因素为物理约束和奇异约束2类,并且分别从这2个方面给出了扩大姿态空间相应的解决方案.以3PRS(Prismatic Revolve Spherical)并联机构为例,提出了采用新的铰链形式和增加冗余UPS(Universal Prismatic Spherical)支链来增大姿态空间的方法,详细描述了动平台能够实现在各个方向90°偏转的机构设计过程,并基于遗传算法以机构整个姿态空间中的灵活度为目标对机构进行了优化.优化的结果通过仿真证实了可靠性,这对于进一步扩大并联机构的应用范围提供参考.      

盘绕式伸展臂展开模式的力学原理

盘绕式伸展臂是一种空间伸展臂,可用于太阳电池阵、太阳帆、探测臂等空间伸展机构.它有2种展开模式:逐层展开和螺旋展开.以三角形横框铰接盘绕式伸展臂为对象,分析了以逐层展开模式伸展的原理.首先,由于斜拉索不可伸长,导致横杆在伸展臂变形过程中会发生弯曲,并有一个最大弯曲形态.通过在MSC.ADAMS中建立盘绕式伸展臂模型进行仿真计算,可以得到横杆刚度对伸展臂展开过程的影响.以此工作为基础,提出判据:纵杆对第2层横杆的压缩能力和横杆的抗弯能力决定了伸展臂的展开模式,利用相关仿真模型,对这一结论进行了验证.最后,用弹性细杆的Kirchhoff动力学研究了纵杆变形,得到了伸展臂构型参数和展开模式之间的规律.该结果可以作为盘绕式伸展臂设计阶段的参考.     

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。      

空间六杆机构的误差分析及考虑公差和间隙的多目标优化综合

本文主要以5R—C机构(R表示转动副,C表示圆柱副)为例,进行了空间六杆机构的误差分析与多目标优化综合。为便于上机计算,对于多杆空间机构误差分析中所用的偏导数,文中利用机构封闭性的各种等同条件,通过含有较少中间运动变量的线性方程组求得。对于各种常见运动副中的间隙误差矢量采取了折算为有关结构参数的附加量的方法,通过所建立的随机模型进行了统计分析以得到实际影响大的统计量。在误差分析的基础上,本文进一步对空间连杆机构提出了通用性较强并且考虑公差和间隙的多目标优化程序。     

3-PPP型柔性并联微定位平台的设计与分析

为解决现有空间平动柔性并联微定位平台（CPMS）结构布局不紧凑，且多轴驱动时各运动副的寄生运动相互累加，导致平台耦合误差增大的问题。首先，设计了一种基于柔性薄板的分布柔度式3-PPP型柔性并联微定位平台。其次，通过结构优化减小了平台的体积，并消除了支链中移动副寄生运动的累加现象。然后，基于柔度矩阵法建立了平台的输入刚度理论模型，并采用有限元仿真验证了理论模型的正确性；同时计算了平台的固有频率，并探究了其与柔性薄板尺寸参数之间的关系。最后，将结构优化前后的平台通过有限元仿真进行了对比分析。结果表明:结构优化后平台的体积减小了67%，且平台在单轴和多轴驱动时均具有更优的运动解耦特性和输入输出一致性。      

新型大转角2T2R并联机构的设计与分析

针对大尺寸细长结构部件的加工需求，提出了一种新型五自由度混联机器人，并对机器人中新型大转角2T2R并联机构模块进行了研究分析。首先，应用螺旋理论计算出了2-UPS&（2-RPR）R并联机构的自由度，并应用修正的G-K公式进行了验证；其次，应用封闭矢量方程对机构进行了运动学分析，建立了运动学正反解模型，并计算出了雅可比矩阵；然后，利用机构的约束条件，绘制了机构的工作空间；然后，应用线速度各向同性指标和角速度各向同性指标对机构的灵巧性进行了分析；最后，通过给定轨迹进行运动学仿真。通过分析，验证了该机构的可行性和实用价值，为新型五自由度混联机器人的应用奠定了基础。      

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。