大行程柔性微定位平台的伴生转动分析

大行程柔性微定位平台在运动过程中不可避免地产生伴生转动现象,并对其定位精度造成消极影响。为降低伴生转动对平台定位精度的影响,提出一种基于柔性杆的三移一转（3-PPPR）型大行程柔性微定位平台,基于线弹性梁理论模型并考虑柔性杆轴向形变,对两移一转（PPR）柔性运动副伴生转角进行了理论建模,并基于此完成了对所提平台在单轴、双轴及三轴驱动时产生伴生转角的理论分析;再采用有限元分析对理论模型进行验证。最后探究了柔性杆尺寸参数与平台伴生转角之间的灵敏度关系,为所提平台性能提升奠定了基础,并据此提出了改善所提平台运动性能的优化方案。结果表明：3种驱动条件下平台伴生转角理论值与仿真值最大相对误差为2.46%。     

空间柔性机构运动可靠性分析

根据空间柔性机构运动可靠性的特点,利用浮动坐标系和模态柔性建立了柔性机构动力学微分方程, 并给出其迭代算法的数值求解方法.研究了柔性机构运动可靠性分析仿真方法,包括一次二阶矩法和高效响应面法,特别是针对空间柔性机构运动可靠性的特点,分析了以上方法的适用性.最后,应用ADAMS软件中柔性多体动力学建模、分析和仿真功能,并结合自主开发软件工具序列响应面法S RSM(Sequence Response Surfance Method),成功地对某空间展开机构的运动可靠性进行了分析仿真.      

柔性机械臂辅助空间站舱段对接阻抗控制

空间机械臂辅助舱段对接过程中存在测量与控制误差,易导致对接机构间存在较大接触力,传统FMA (Force MomentAccommodation)控制方法在测量接触力时无法消除大负载惯性力对测量的影响,且测量仪器的引入会进一步降低空间柔性机械臂的刚度。为此,文章提出了柔性机械臂辅助大负载空间舱段对接的阻抗控制方法,采用拉格朗日法推导了空间机械臂的关节输入力矩方程作为前馈输入,建立了含动力学前馈的空间机械臂阻抗控制程序,并以在商业软件ADAMS中建立的空间柔性机械臂与对接舱段组成的系统动力学模型作为控制对象,对系统进行ADAMS灢Matlab联合仿真。仿真结果表明,按照此控制方法,系统可克服外力干扰使目标解析点按照期望的方式运动;同时,通过测量机械臂关节运动参数即可实现对外力的准确感知,而不需额外添加力传感器,既消除了大负载惯性力对测量的影响,也不会导致柔性机械臂刚度的降低。     

对卫星柔性对接补加一体化机构建模与设计

阐述了一种弱撞击交会条件的对接补加一体化机构.在机构设计上采用柔性杆实现软连接,刚性周边杆实现纠偏和刚性锁紧,阻尼装置吸收对接碰撞能量,并采用可浮动的气/液耦合和电气接口进一步实现高精度的气/液/电路连接.采用拉格朗日分析力学建立飞行器多体动力学模型,利用模态叠加法对碰撞过程柔性部件的变形进行描述,从而建立飞行器柔性对接动力学模型.多工况动力学仿真试验表面所设计的对接补加一体化机构可在0.25 m/s弱撞击速度范围,20 mm横向对接容差以及±5°角度容差范围内实现可靠对接.对接补加一体化装置完成样机研制,并在直线运动平台上完成对接性能和电路连接的多次试验,在专用补加系统上完成接口密封性和模拟推进剂传输试验.     

太阳帆航天器姿态机动的复合控制研究

输入成型法无法消除姿态机动过程中的柔性振动,残留的柔性振动将改变大柔性太阳帆航天器的结构参数,影响姿态机动的控制精度。为此,基于两种控制手段（作用于太阳帆中心的喷气和作用于支撑杆顶端的电推进）的组合,提出复合控制方法,以消除姿态机动过程中的柔性振动。采用将帆面质量等效到支撑杆的简化方法,建立太阳帆航天器姿态运动与柔性振动的耦合动力学模型,并从减小振动模态的外加激励出发,根据简化的动力学模型,得到了两种复合控制的设计方法：消除某一阶的柔性振动方法和减小前n（n>1）阶的柔性振动方法。仿真结果表明,相比输入成型法,第二种复合控制方法不但机动时间短,还能够将姿态机动过程中的柔性振动抑制到5%,使机动角度精度优于0.003°。由于仅利用已有的控制手段,复合控制方法算法简单,适合于实际应用。     

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。      

大变形柔性铰链的静刚度分析及应用

大变形柔性铰链可由弹性较大的橡胶材料制成,而橡胶材料的应变-应力关系不符合胡克定律,其关系可由应变-能量函数关系式导出,为此,采用Mooney-Rivlin模型对形变能量函数进行简化,通过适当选取材料常数的比值,对其非线性的应力-应变关系进行分段线性化,导出圆角型柔性铰链在大变形时转角刚度的近似计算公式.通过有限元仿真对近似计算公式进行了验证.在此基础上,应用大变形柔性铰链构造扑翼式微型飞行器中的柔性胸腔,由转动电机作为驱动器,利用柔性铰链的变形实现翅膀的扇翅运动,实际应用效果表明可有效增大扇翅角并提高能量利用率.     

一种小型化高同步性伺服作动系统研究

介绍了一种小型化高同步性伺服作动系统,针对发动机动力调节装置狭小的空间和特殊高温环境的严苛要求,对液压作动器进行了耐高温、小型化设计,采用液压作动器与控制阀组分体式结构设计和非对称活塞杆结构设计,实现了大运动行程,降低了截面尺寸和轴向长度;采用位置初始同步+位置同步控制+非对称位置控制的全域控制参数动态调整的控制策略,实现了三路作动器的运动平稳控制和全行程范围内的高位置同步性。通过理论计算和带载试验验证,该伺服作动系统实现了环境和空间的技术要求,并具有较好的位置同步控制性能。     

基于约束线图的超导重力梯度敏感结构型综合

基于约束线图对超导重力梯度敏感结构进行型综合,分析轴向分量与交叉分量单独敏感的结构自由度与约束线图,并结合超导重力梯度测量应用提出两分量同时敏感的结构,利用自由度与约束线图确定约束类型,等效为柔性圆柱副,并选择柔性元件进行并联机构形式的布局.在型综合的基础上,通过模态仿真对比,得到两端与柔性球铰联接的刚性杆结构适于在两分量敏感结构中应用的结论.刚度特性仿真分析结果表明两分量敏感结构具有设计运动方向刚度小、寄生运动方向刚度大、运动耦合小的特点,适于在超导重力梯度测量系统中应用.     

空间站大型伸展机构柔性多体动力学数值计算

对用ｋａｎｅ方法建立的空间站大型伸展机构柔性多体动力学数学模型,从数值计算方法和软件实现方面进行了研究。文章采用局部附着浮动坐标系描述各构件的刚体大范围伸展运动;用截断的子结构正则模态描述各构件的柔性变形;用求解刚性方程的ＴＲＥＡＮＯＲ方法进行数值积分;用混合法对系统的微分－代数动力学方程组进行求解。还对空间站伸展机构多体系统的约束方程建立、独立坐标选取和动力学方程的ｓｔｉｆｆ病态问题进行了讨论。并针对空间站伸展机构在驱动展开过程中以及展开完成后的动力学响应进行了算例计算。     

双余度电静液作动器力均衡控制

随着多电飞机技术的发展,电静液作动器(EHA)被更多地用于机载作动系统。双余度电静液作动器(DREHA)更易于实现余度控制,推进EHA在飞机上的应用。本文给出了一种新型DREHA的结构组成,并对其工作原理和固有的力纷争现象进行了分析。理想情况下,通过流量补偿进行修正,力纷争会消失。由于实际系统的参数不可能与仿真模型完全一致,通过人为引入两通道参数误差,复现实际的力纷争。针对上述力纷争现象,基于两通道左右腔压差提出了差值力补偿力均衡控制策略和交叉耦合力均衡控制策略,以减小力纷争。MATLAB和AMESim联合仿真结果表明,本文所设计的力均衡控制器能大大减小力纷争峰值,同时提高系统的响应速度。     

空间精密跟瞄Hexapod平台作动器研制与实验

针对基于并联机构的空间精密跟瞄Hexapod平台的大行程、高性能要求,通过对现有主动元件的分析,从作动器角度研制了以滚珠丝杠作动器为宏动部分、压电作动器为微动部分的大行程高频响精密复合作动器,测试了复合作动器的行程、开环定位精度及动态特性,以dSPACE半物理仿真系统为核心建立了实验系统,进行了复合作动器单自由度精确定位实验和振动主动控制实验.由结果可知,复合作动器作动行程超过50mm、经微动部分补偿后的整体定位误差小于1μm、正弦持续扰动下采用自适应滤波ADC(Active Disturbance Canceller)方法使振幅下降90%以上.结果表明,将此复合作动器应用于空间高稳定精密跟瞄Hexapod平台是完全可行的.      

泵阀联合EHA效率设计仿真分析

分析了泵阀联合电动静液作动器(EHA,Electrical Hydraulic Actuator)效率的影响因素,提出了降低油源压力设计值以提高效率的方法.针对泵阀联合EHA的工作特点,在负载相同的条件下,对伺服阀和定量泵的输出流量、损耗流量变化、作动系统整体效率变化进行了分析,并分析了油源压力设计值变化对系统主要性能参数的影响.相对于常规阀控系统设计,在一定范围内降低油源压力设计值的方法可提高液压系统总效率,减少流量损耗引起的功率损耗.系统快速性提高,稳定性增强,抗扰动能力下降,因而系统效率设计要兼顾性能综合进行.以弹性负载为对象的作动系统仿真计算验证了设计方法的可行性.      

Performance analysis and mission applications of a new solar sail concept based on crossed booms with tip-deployed membranes

For precursor solar sail activities a strategy for a controlled deployment of large membranes was developed based on a combination of zig-zag folding and coiling of triangular sail segments spanned between crossed booms. This strategy required four autonomous deployment units that were jettisoned after the deployment is completed. In order to reduce the complexity of the system an adaptation of that deployment strategy is investigated.A baseline design for the deployment mechanisms is established that allows the deployment actuation from a central bus system in order to reduce the complexity of the system. The mass of such a sail craft will be slightly increased but its performance is still be reasonable for first solar sail missions.The presented design will be demonstrated on breadboard level showing the feasibility of the deployment strategy. The characteristic acceleration will be evaluated and compared to the requirements of certain proposed solar sail missions.     

超磁致伸缩作动器的结构分析

从力学和磁学两方面分析了超磁致伸缩作动器内部结构形式对作动器特性的影响,重点研究了永磁铁式偏置磁场的不同结构形式以及作动器外壳材料对作动器的输出性能及作动器轴向刚度的影响.研究结果表明,环套式永磁铁的结构形式不可避免地在作动器外围产生较大磁场;分段式永磁铁的结构形式,采用钢制外壳时可避免漏磁;但是在芯棒区域的磁场与理想均匀磁场的差异将给作动器的输出位移带来较大损失,对作动器的刚度也会产生不可忽略的影响,二者在设计中必须考虑.在结构分析的同时,基于超磁致伸缩材料的特性提出了磁场与刚度相关联的设计理念,可为超磁致伸缩作动器的结构设计提供参考.     

平面3自由度柔顺微动机器人加工误差分析

在微/纳米级定位领域,误差分析是提高微动机器人运动精度的重要方法.其中,对加工误差的分析尤其关键.为此,对平面3自由度(DOF,Degree of Freedom)柔性并联微动机器人的加工误差进行了研究.通过对机器人静刚度求解,建立了加工误差与其末端执行器定位精度的关系模型.通过理论计算途径及有限元方法(FEM)讨论了各结构参数加工误差对末端精度的影响程度,结果表明柔性铰链圆弧切口半径误差以及铰链圆弧切口中心线角度偏差对机器人末端精度的影响最大.研究所得结论可用于指导此类机构设计,确定加工过程中各机构参数的公差要求,并有助于提高标定精度.     

微动操作手的误差分析

目前微动操作手的机构选型主要有两种形式:串联机构与并联机构.它们各有优缺点.基于优势互补的指导思想,提出了一种新颖的机构形式,即串并联机构.为了评估微动操作手结构参数误差对末端执行器位姿的影响,利用矢量分析的方法建立了安装加工误差、驱动误差与末端位姿误差之间的关系式,得出了若干对微动机构的设计、加工、安装有普遍指导意义的结论.这种分析的方法同样也可应用到其它并联或串并联机构的误差分析研究中.     

串并联微操作机器人系统的研究

介绍了一套完整的微操作机器人实验系统,该机器人系统是在一种用于微操作的新颖的串并联机构基础之上建立起来的.针对串并联微动机构的特点,提出了一种电容式测微仪与计算机视觉系统相结合的运动学标定方法.同时,为实现对压电驱动元件的精确控制,采用了一种参数切换的变速积分PI(Proportional-Integral)控制算法,并收到了预期的效果.最后对该系统进行了微动画图实验,得到了理想的圆形和矩形轨迹图形.实验结果表明,该微操作机器人系统的组成及控制、标定方法对完成高精度微操作任务是有效的.      

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.      

电液复合系统中的相乘非线性控制

针对机载电液复合控制非线性被控系统,建立了系统的相乘非线性数学模型,提出了基于反馈线性化的在线滚动优化控制方法.系统的相对阶小于系统的阶数,因此通过反馈线性化将非线性被控系统化为一线性子系统和非线性部分,在保持非线性部分零动态渐近稳定的基础上,引入在线滚动优化提高系统的动态响应, 而且未建模动态具有很强的鲁棒性,目标优化函数取控制量的偏差和跟踪误差的偏差的二次型,并且通过状态反馈保持整个系统的稳定性.系统仿真研究表明该控制方法使得系统对不确定因素和外来干扰具有很强的鲁棒性,系统具有更好的动态性能.