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.     

多向气动驱动器软体仿生舌弯曲状态的研究

以软体仿生舌为研究对象,针对多向驱动器的变形机理,开展了面向软体仿生舌的单/多向驱动器的弯曲特性研究。首先,设计了气动驱动软体仿生舌,其在单/多向驱动器的作用下可实现吐舌、翻舌、卷舌以及斜翻舌等动作;其次,为进一步研究驱动器的变形机理,开展了针对单/多向驱动器的结构及变形工作原理的研究;然后,基于Yeoh模型应变能密度函数,结合力平衡方程,建立了驱动压强和驱动器弯曲变形后曲率半径的非线性数学模型;最后,为验证理论模型的正确性,开展了软体仿生舌的仿真研究及相关实验验证,结果证明了理论模型的正确性。上述研究为其他基于气动驱动的软体结构变形机理的研究提供了理论基础。      

基于FPGA的直接驱动阀用音圈电机功率驱动器

音圈电机的功率驱动器对控制器运算速度要求较高,传统方法普遍采用模拟控制,但其存在调试不便、特性漂移、不易实现复杂控制算法、无法与数字控制器直接实现接口等固有缺点.介绍了基于现场可编程门阵列(FPGA,Field Programmable Gate Array)的采用全数字式控制的直接驱动阀用音圈电机功率驱动器.利用FPGA通过模块化设计,实现了产生脉宽调制(PWM,Pulse Width Modulation)信号、电流信号采样及其数字滤波、电流闭环控制以及与其它数字控制器的通讯等功能.仿真及实验结果表明:所设计的基于FPGA的音圈电机功率驱动器具有良好的电流跟踪性能,可以满足直接驱动阀系统的控制要求.FPGA的运用,大大简化了系统硬件结构,提高了系统的控制性能,且便于扩展功能以及与其它数字控制器实现接口.     

考虑容错的平面二自由度过驱动机构力矩分配

针对过驱动机器人的故障驱动器数目不多于驱动冗余个数的情况,探讨如何进行故障前后的驱动力矩分配以保证机构具有容错能力.以平面二自由度过驱动并联机器人为研究对象,基于达朗伯原理和等效力方法建立其动力学模型,在此基础上分析了部分驱动器故障后机构的动力学方程,并进一步推导故障后容错力矩再分配方法.为减小故障后驱动力矩瞬时突变对机器人末端操作的影响,提出以故障前后的力矩差值平方和最小作为优化目标来进行过驱动机构力矩分配的方法.通过数据计算比较了采用传统方法和优化方法的各关节驱动力矩的突变量之和,结果表明所提出的优化力矩分配方法可以改善容错性能.      

纤维增强型软体夹持器变形及末端接触力

针对目前软体机器人缺乏变形和接触力方面理论研究的问题，以软体夹持器为研究对象，开展了纤维增强型软体夹持器变形及末端接触力的研究。首先设计了气动软体夹持器，该夹持器由纤维增强型单向弯曲驱动器、接触气囊以及单元的连接装置组成；其次基于Yeoh模型、Neo-Hookean模型分别建立了弯曲驱动器驱动压强与弯曲变形圆心角的非线性数学模型和弯曲驱动器末端接触力理论模型；然后开展了软体夹持器变形和末端接触力的仿真及实验，结果证明了理论模型的正确性；最后进行了纤维增强结构对软体夹持器变形和末端接触力影响的研究，实验结果表明:纤维增强结构能大幅度提高软体夹持器的变形和末端接触力。上述研究为其他纤维增强型软体夹持器变形及末端接触力的研究提供了理论基础。      

分析驱动设计方法研究与应用

对产品设计过程中的大量迭代现象,从设计方法上进行了深入分析与高度总结,提出了分析驱动设计(ALD)方法,定义了设计信息(DI)、设计活动(DA)、设计模型(DM)、设计文件(DF)和分析驱动设计流程(ALDF)等基本概念.分析驱动设计方法的核心内容是分析驱动设计流程.详细阐述了分析驱动设计流程中的设计信息和设计活动;重点讲解了分析驱动设计流程的设计活动规划方法,并给出了串行化和并行化的设计活动规划的时间计算公式.基于自动化的分析驱动设计流程对产品设计方案进行验证和优化,提高了产品设计效率和设计质量,解决了分析驱动设计方法中的部分关键技术,并以航发涡轮叶片为例验证了分析驱动设计方法.     

一种高性能两相步进电动机细分驱动器的设计

以高性能单片机C8051F005和全桥脉宽调制(PWM,Pulse Width Modulation)驱动电路3955为核心实现了一种结构简单的高性能、多细分、微型化两相混合式步进电动机驱动器.该系统采用正弦波电流细分驱动和双极性、固定关断时间的恒流斩波控制方式,可调的电流衰减模式可以进一步改善步进电动机绕组的电流波形.驱动器最高细分数为256,提供细分选择、正反向控制、半流控制、使能控制,以及过压、欠压、过流、过热等电动机驱动器的保护功能.此外,系统还具有在系统调试和升级能力.从驱动器的总体设计、不同细分下电流参考信号生成和绕组电流控制等方面对该方案进行了详细的论述,实验结果证明该步进电动机高细分驱动器方案结构简单、可靠性高、运行平稳,具有良好的运行矩频特性.      

软体弯曲驱动器设计与建模

与传统的"刚性"机器人相比,基于仿生学启发的软体机器人由于其与生俱来的柔顺性和安全性受到广泛关注。然而,此类软体机器人驱动器的设计与控制目前仍缺少理论指导。针对这些问题,设计了一种由气压驱动的可实现弯曲运动的新型软体驱动器,在系统分析其结构和弯曲原理的基础上,利用几何方法和虚功原理建立了其数学模型,并且通过有限元模型和原理样机实验验证了数学模型的有效性,为软体机器人驱动器的优化设计和控制提供了依据。     

基于谐波传动的星间链路天线驱动机构设计研究

星间链路天线驱动机构(GDA)具有长寿命、大驱动力矩、高精度指向和适应复杂空间环境的任务要求.谐波传动具有减速比大、承载能力大、传动精度高等优点,在航天、航空等多个领域广泛应用.分析了主要设计约束,比较了三种双轴构型的优缺点,给出了基于谐波传动的GDA单轴驱动器的结构框图,对电机、谐波减速器、测角传感器的选择以及机电热接口的设计要点进行了分析,论述了紧凑而轻量化的结构布局、长寿命润滑、高精度指向等关键技术,介绍了长寿命和高精度捕获跟踪性能的验证试验方案.     

基于COM的可互换虚拟仪器驱动技术研究

提出了基于COM(Component Object Model)的可互换虚拟仪器驱动器的模型,分析了其实现互换的方法,并提出了在该模型下的仪器仿真驱动方案,最后将该模型的驱动器和现有VPP(VXI Plug&Play)、IVI(Interchangeable Virtual Instrument)驱动器进行了对比分析,其结果表明,基于COM的可互换虚拟仪器驱动器在互换性、平台适应能力、远程访问能力以及仿真能力等方面具有更加优良的综合性能.       

一种新颖超磁致伸缩作动器的隔振模型

根据超磁致伸缩材料的本构方程分析了超磁致伸缩作动器输出位移的组成,以此为根据建立了基于超磁致伸缩作动器的单层单自由度隔振平台数学模型.该模型以平台在激振力作用下产生的振动位移为系统干扰输入;根据此模型分析了基于超磁致伸缩作动器的隔振原理;在频域内推导出了系统隔振能力与激振力频率及作动器最大输出位移之间的数学关系,然后在时域内采用自适应LMS(Least Mean Square)算法在Matalb环境下进行仿真.仿真结果与理论分析均表明,隔振平台的隔振能力与激振力频率的平方以及作动器最大输出位移成正比,从而为合理设计隔振平台用超磁致伸缩作动器提供了理论依据.该模型不仅可用于分析基于磁致伸缩作动器的隔振原理,对其它作动器的隔振原理也适用.      

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.      

六自由度压电隔振平台面向控制的模态分析与动力学建模

六自由度压电隔振平台各通道之间存在的强耦合性以及压电作动器固有的迟滞非线性都对系统动力学建模提出了挑战。为此，基于模态分析技术对六自由度压电隔振平台开展面向控制的非线性动力学建模研究。在充分考虑压电作动器的迟滞非线性后，采用模态坐标变换方法建立了隔振平台Hammerstein非线性动力学模型，包含了输入端的静态迟滞非线性子系统、解耦的模态方程组以及模态正/反变换矩阵。通过实验测量方法辨识得到模态方程中的参数，采用MPI模型辨识得到静态迟滞非线性子系统，并经过逆补偿控制实验验证了迟滞模型的正确性。基于迟滞逆补偿策略辨识得到模态反变换矩阵。最终建立了平台的动力学模型，为后续的控制奠定了良好的基础。      

大行程Hexapod平台及其隔振实验

为提高车载、机载光学设备在低频大振幅扰动环境中的观测精度,研制了具有6自由度振动隔离能力的大行程主动隔振平台.平台主动元件采用直线电机,并针对隔振任务设计了无间隙万向节结构.隔振平台采用6-UPS并联机构Hexapod构型,具有30 kg承载能力,上平面可进行±30 mm平动和±8°转动.Hexapod平台控制方法采用PID(Proportion-Integral-Derivative)定位控制和X滤波自适应逆振动控制结合的方法.对Hexapod平台进行3～20 Hz垂直方向正弦振动隔离实验结果显示,平台对基座振动的振幅隔离幅度高于90%,对5～20 Hz频段随机振动隔离实验结果显示,隔振前后上平面振幅峰峰值下降78%.     

高稳定精密跟瞄机构设计与仿真

为实现高精度的空间跟踪瞄准任务,基于宏微动作动器设计了具有振动控制能力的高稳定精密跟瞄机构.跟瞄机构采用6-SPS并联机构构型,可在较大的工作空间内实现高精度指向.结合宏微动作动器的特点设计了具有指向控制、振动抑制和振动隔离能力的跟瞄机构控制系统,振动隔离采用前馈控制,指向和振动抑制部分采用PID控制.利用ADAMS软件进行了频响分析及时域动力学仿真,结果显示跟瞄机构具有较高的指向精度和较好的振动控制能力,可实现扰动环境中的大范围高精度跟瞄功能.      

空间微重力磁悬浮平台激励器研究

为满足空间实验室的科学实验载荷对微重力环境水平的要求,需要保证空间微重力实验载荷平台的振动隔离性能,即需要平台激励器能在控制系统的作用下适时地产生抑制平台扰动的激励力.本文提出了平台激励器的初步指标,从磁悬浮基本原理出发设计出多种结构形式,在此结构基础上完成有限元磁路仿真和激励器的线圈设计,并对各种结构形式进行比较,根据比较结果总结出各结构形式的优缺点,为激励器的具体设计提供了依据.      

空间用洛伦兹力激励器静态标定测试系统

基于洛伦兹力的空间用电磁激励器是空间高微重力主动振动隔离系统的核心控制部件. 为满足系统实时变化的控制器输出要求, 必须标定激励器的设计参数, 得到输出力与输入电流之间的关系. 设计了一套用于激励器静态标定的自动测试系统, 并对其硬件结构设计、软件模型及测试数据处理进行了介绍. 系统硬件结构包含力传感器、力值显示控制仪、三轴位移台、电机驱动器模块及数据接收分发模块. 系统软件采用LabVIEW编程技术, 实现了对信号的采样、显示和存储. 利用Matlab进行数据处理, 得到相应处理结果, 为激励器进一步的优化设计提供了技术依据.      

单向电永磁作动器结构优化与动态特性分析

针对电磁作动器的使用要求，设计出一种具有能耗低、吸力大及响应快等特点的新型单向电永磁作动器。结合有限元仿真软件，利用有限元法研究作动器的结构参数如铁芯齿形结构、平面结构、无永磁结构、铁芯的倾斜角度及衔铁位移（气隙厚度）等因素对作动器电磁吸力和响应速度的影响。结果表明，电磁吸力随着作动衔铁位移的增加而大幅度减小；倾角结构的铁芯设计能使作动器性能达到最佳，且铁芯的倾斜角度为50°时，电磁吸力有最大值3071N。     

大型挠性结构航天器姿态精确指向控制

针对空间大型挠性结构航天器姿态精确指向控制中，执行机构振动和挠性结构变形对载荷指向带来的高频和低频扰动，提出了多环路复合控制策略，在传统姿态控制闭环回路的基础上，引入执行机构隔振回路和载荷指向精确控制回路，实现对执行机构振动的隔离和对载荷指向的精确补偿，并设计了回路的闭环控制方法。数学仿真和部分试验结果表明，该方法能够有效提升载荷指向精度。     

宽带振动抑制用液电混合作动器技术

针对宽频带振动隔离的需求,提出了一种液压阻尼-弹簧-音圈电机串联的减振混合作动技术,实现了在0.1-500Hz较宽频带内振动隔离的方法。在结构设计的基础上,建立了液电混合作动的数学模型,对模型的各个参数进行了分析。用实际尺寸的结构有限元模型进行了电磁仿真验证,证明了电磁推力的符合性。使用样机进行了实际的输出力特性测试、位移跟踪测试和频率特性测试。测试结果表明：该作动技术可以实现0.5Hz频率的有效输出力跟踪和位移跟踪。