构架式可展天线机构自由度分析——拆杆等效法

针对四面体构架式可展天线机构的多环耦合特性,提出了一种空间多环耦合机构的自由度分析方法——拆杆等效法。首先拆除四面体基本可展单元机构的耦合约束链,将剩余部分视为一个并联机构,然后应用螺旋理论分析各输出节点的自由度数目及性质,进而构造各输出节点与定节点之间的等效串联运动链,最后复原拆除的耦合约束链得到四面体基本可展单元的等效机构,应用修正的G-K公式计算等效机构的自由度数目,并基于反螺旋理论分析等效机构的自由度性质,从而获得四面体基本可展单元的运动特性。根据四面体基本可展单元的等效机构及其组合方式对最小组合单元及大尺寸构架式可展天线机构的结构进行了化简,并根据其几何特征约束方程推导了最小组合单元及大尺寸构架式可展天线机构的自由度。建立了由27个四面体基本可展单元组成的构架式可展天线机构的仿真模型,对该机构的自由度进行了验证,结果表明提出的拆杆等效法求得的自由度正确,为进一步分析此类天线机构的运动学和动力学奠定了基础,同时为其他类型的空间多环耦合机构的自由度分析提供了一种新的思路。     

一类空间对称6R机构的运动学研究及组合应用

可展开平板机构已广泛应用于平板天线、太阳翼等航天机构产品。为提高可展开平板机构的刚度和展收比,将空间对称6R机构应用于可展开平板机构设计。首先,根据约束条件,计算后给出了一种空间3R运动链的几何参数关系;然后,结合螺旋理论,分析了该3R运动链的约束螺旋系;进而根据对称性,研究了空间对称6R机构的自由度、奇异性等运动特征;在此基础上,提出了一种特殊的空间对称6R转动机构;最后,研究了空间对称6R机构的组合方法,设计出一种新型单自由度可展开平板组合机构,并对其进行了运动学仿真验证。该可展机构具有二维方向的展开收拢能力,为可展开平板机构的创新设计提供了有益参考。     

四棱锥单元平板式可展开收拢机构的

 基于7杆闭环机构提出一种新型四棱锥单元,其可作为一种基本可展机构单元,组合成大型可展机构。利用机构学方法研究,分析了单元机构的自由度、运动学和奇异性,给出了单元组合方法并基于四棱锥单元机构设计了一平板式可展开收拢机构,最后计算了机构的伸缩比。分析结果表明,这种单元机构组合方便简单,组合后的机构自由度为1,便于机构的展开收拢控制。当机构完全展开时,由于其奇异特性,机构有较好的力学性能。利用这种单元可以设计出新型大型可展开收拢机构,在航空航天领域有很好的应用前景。     

四棱锥单元平板式可展开收拢机构的运动特性分析

基于7杆闭环机构提出一种新型四棱锥单元,其可作为一种基本可展机构单元,组合成大型可展机构.利用机构学方法研究,分析了单元机构的自由度、运动学和奇异性,给出了单元组合方法并基于四棱锥单元机构设计了一平板式可展开收拢机构,最后计算了机构的伸缩比.分析结果表明,这种单元机构组合方便简单,组合后的机构自由度为1,便于机构的展开收拢控制.当机构完全展开时,由于其奇异特性,机构有较好的力学性能.利用这种单元可以设计出新型大型可展开收拢机构,在航空航天领域有很好的应用前景.     

剪叉联动式双层环形桁架可展开天线机构设计与分析

为提高环形桁架可展开天线机构的刚度,提出了一种剪叉联动式双层环形桁架可展开天线机构,介绍了其具体结构及特点;对整体桁架机构进行了单元划分,将其分解为多个六面体可展单元,分析了整体桁架结构的运动过程及特点,并对六面体基本可展单元进行了结构分析与简化;基于反螺旋理论分析了六面体可展单元的自由度及运动形式,得到了其只有一个收展运动自由度的结论,最后建立了整体双层环形桁架可展开机构的仿真模型,模拟了整个双层环形桁架机构的收拢与展开过程,验证了其整体的可展性。     

二自由度平板折展柔性铰链的分析及优化

为提高平板折展机构(LEMs)的灵活性,提出了一种能实现平面内及平面外转动的二自由度柔性铰链。首先,综合椭圆柔性铰链与LET柔性铰链的结构特点,设计了二自由度平板折展柔性铰链;其次,利用弹簧模型推导了该铰链两个方向的转动等效刚度计算模型,并通过设计实例的理论计算与有限元仿真分析对比,验证了两个理论模型的正确性;然后,探讨了各结构参数对铰链两种转动刚度的影响;最后,以提高二自由度平板折展柔性铰链的转动性能为目标,建立了其优化设计模型,并采用自适应粒子群优化算法对该铰链的结构参数进行了优化。优化结果表明:铰链y轴方向转动刚度下降了83.60%,z轴方向转动刚度下降了92.73%,二自由度平板折展柔性铰链两个方向的转动性能都得到了极大的提升,优化结果完全符合预期。     

基于3RRS-Bricard复合空间捕获系统运动学分析

面向跨尺度、目标多样化的空间捕获任务,融合Bricard和3RRS机构的折展特性和几何特点对复合捕获系统运动学进行了分析。基于捕获系统的自由度和构型特点分析,通过构建Bricard与3RRS间的转换关系实现了捕获系统各机构间的运动学解耦。根据六棱柱模型,引入Bricard虚拟顶点,设计了面向复合空间捕获系统的运动学求解方法。在仿真环境下搭建捕获系统的运动学和动力学模型,并开展针对动态捕获目标的轨迹跟随实验。通过与基于闭环约束的阻尼最小二乘法（DLS）对比,验证了该运动学求解算法的有效性和先进性。实验结果表明,捕获系统可实现平稳的协同控制,运动过程中位置跟随精度优于4 mm,姿态精度优于0.035 rad。     

3R-3URU可展单元机构及其在构架式可展天线中的应用

提出了一种空间单自由度(DOF)可展单元机构3R-3URU。首先,基于螺旋理论和修正的G-K公式分析了RURUR单闭环机构的自由度,建立了该机构中主动关节和被动关节速度之间的解析关系式,基于此关系式和3个RURUR机构共用首尾转动副的结构特点推导了3R-3URU单元机构的自由度,得到了3R-3URU机构具有1个自由度时各运动副的方向和位置满足的几何关系式。其次,将3R-3URU机构应用于3RR-3RRR四面体可展单元及其组成的球面构架式可展天线中,得到了具有收拢和调姿两种自由度的新型可展机构。最后,利用Adams软件对3R-3URU可展单元机构的自由度和其在四面体构架式可展天线中的应用进行了仿真验证。该3R-3URU可展单元机构具有单自由度、铰链种类少、结构简单等优点,可用于曲面构架式可展天线的支撑机构中,实现大折叠比。     

一类基于四面体组合单元的模块化构架式可展开天线机构

针对现有基于四面体单元的构架式天线机构结构复杂、收拢率低、运动副数量多等问题，基于3RR-3RRR四面体组合单元和基于3RR-3URU四面体对称组合单元分别提出了两种新型模块化可展结构。以3个组合单元组成的模块化结构为分析对象，首先，详细介绍了模块化结构的组成及虎克铰轴线布置，并利用组合单元本身的自由度数目及性质，采用拆杆-等效-复原的思想，应用螺旋理论和G-K公式分别对提出的两种模块化结构进行了自由度分析，得到了自由度数目及性质。其次，应用Adams动力学仿真软件对两种模块化结构进行运动仿真，仿真结果验证了自由度分析的正确性。以完全展开和完全收拢时机构所占的空间体积比值表征该机构的收拢率，计算现有基于四面体单元的非模块化机构与提出的模块化机构的收拢率。最后，对比分析非模块化机构与模块化机构的自由度数目、运动副数目及收拢率。分析结果表明，基于3RR-3URU四面体对称组合单元的模块化结构既能实现较大收拢率，自由度及运动副数目也相对减少，且组成大型天线时杆件类型较少。研究结果为该类模块化构架式可展天线结构的设计与分析提供一定理论依据。     

一种仿生扑翼飞行器的设计及动力学分析

为了提高仿生扑翼飞行器设计水平,弄清仿生扑翼飞行器的动力学特性、改善其飞行性能,设计了一种折展翼仿鸟扑动飞行样机,并对其动力学特性进行了分析。通过仿生方式设计了基于曲柄连杆的折展扑动机构,建立了扑翼机构的运动学模型,得到了相关运动学参数,并采用拉格朗日方法,推导出扑翼扑动时的动力学模型。基于条带方法对该扑翼的气动力、气动力矩载荷进行估算,分析了折展扑翼非对称扑动时翼翅气动力矩变化规律,结果表明:与一般直扑翼相比,折展翼在上扑阶段受到更小的阻力,因而扑翼扑动过程中能够获得更大的升力。基于ADAMS软件包,对扑动机构关键铰接位置的力学特性进行分析,为优化扑动机构、提高其结构强度提供重要参考。      

空间对称型7R机构运动特性分析及组合应用

提出了一种空间对称型7R机构,可利用此机构组合构造空间可展开机构。通过旋量拓扑图分析了其整体自由度,得到了其运动副轴线方位变化时整体机构自由度数目的变化情况;基于反螺旋理论分析了运动副轴线方位不同的情况下运动输出构件的自由度数目和性质,并针对其瞬时性做了判别,发现其在不同运动副轴线方位布置情况下会出现局部自由度与瞬时自由度;分析了机构在不同驱动情况下的奇异特性,得到了机构在不同的驱动下处于奇异位形时的几何条件;最后选定自由度为1时的空间对称型7R机构组合构造了一类单自由度多棱锥型空间可展开机构,通过设置其运动副轴线方位,可以使其具有较大收拢率,同时当机构完全展开时,奇异特性使得其具有较好的力学性能。通过多个棱锥型空间可展开机构的组合,可以构造出新型大尺度空间可展开机构,在航空航天领域具有较好的应用前景。     

三自由度3-CS并联平台机构的运动学分析

首先介绍了一种新型的并联机构--三自由度 3-CS并联平台机构的模型。应用螺旋理论分析了该机构的瞬时运动。同时对该机构进行了运动学分析 :给出了操作平台的输出运动参数的 3个运动约束方程和3个独立输出运动参数与 3个独立运动输入参数之间的一阶速度影响系数矩阵,最后给出了求解机构位置正、反解的计算方法。     

基于一类含极少运动副四支链两转一移三自由度并联机构的五轴混联机器人

首先提出了一类含较少运动副四支链两转一移三自由度（2R1T）并联机构（PMs）2RPU-UPR-RPR和2UPR-RPU-RPR，然后提出了极限约束力螺旋系的概念，分析四支链2R1T并联机构末端的极限约束力螺旋系，对所提出的四支链2R1T并联机构是否同类机构中含运动副最少进行了论证。基于提出的四支链并联机构构造了一种五自由度混联机器人机构，建立了2-RPU-UPR-RPR并联机构的位置反解模型，并将其等效成一个三自由度串联机构RPR，进而对整个混联机器人机构进行了位置正反解分析，建立得到了混联机器人机构位置反解的显式解析表达式，并用加工球面轨迹的算例对所建运动学模型的正确性进行验证。提出的五自由度混联机器人含有极少的运动副，且所有转动自由度均具有连续转轴，能够得到解析的位置模型表达式，很容易实现轨迹规划与运动控制，具有良好的应用前景。     

基于有限元的平面变胞机构运动学研究

变胞机构具有在工作阶段切换时,杆件数目或运动数目及连接方式可变的特点,因此现有的基于有限元的机构运动学方法和分析软件无法直接用于变胞机构的分析.基于最小势能原理,推导出了任意曲线的滑动副单元和三节点焊接单元两种有限元模型.根据变胞机构的变胞特征,研究了基于有限元的运动学方法在变胞机构中的应用,给出了其计算步骤和流程.最后利用该方法对3种典型的平面变胞机构进行了分析,其结果表明该方法适合计算机的模块化编程和计算,对变胞机构的运动学研究有重要帮助.     

基于模糊PID算法的六自由度并联机构控制研究

针对六自由度并联机构难以实现高精度及快速响应的问题,分析六自由度并联机构模型,提出基于模糊PID的六自由度并联机构的控制算法.介绍了六自由度并联机构的运动学反解模型及机械系统模型;在此基础上确定模糊算法的模糊语言变量、隶属函数和模糊规则,完成了六自由度并联机构模糊PID控制器的设计.针对一组PID控制参数进行了仿真和实验,结果表明,加入模糊算法的PID控制提高了系统的动态响应特性及运动精度.     

一种共轴式直升机操纵机构的运动学建模与分析

 共轴式直升机操纵机构的输入/输出运动学关系复杂、非线性严重,不同通道间控制耦合大,其中航向采用全差动的操纵机构最为复杂。为了分析用比例关系简化建模所引起的误差及利用逆运动学进行操纵系统线性化,必须对操纵机构运动学进行精确建模。针对一种航向全差动操纵机构,首先,运用机构学原理,通过去除过约束、局部自由度对机构进行简化,计算得到操纵机构自由度;然后,将操纵机构分为3个子模块,通过对每个模块应用空间机构位置分析方法进行正向、逆向运动学推导,建立系统完整的运动学模型;利用光学测量原理设计了测试系统,并通过实验验证了所建模型的正确性;最后给出了所建模型在共轴式直升机建模、操纵解耦及线性化方面的应用方法。     

偏置式Delta并联机构的运动学分析

 具有3 个平移自由度的Delta 并联机构因所有运动副均采用转动铰链而愈来愈引起研究者的重视。偏置量的存在虽降低了加工、制造、装配的难度,但其运动学分析的难度大大增加。本文利用消元法对偏置式Delta 并联机构的正逆运动学进行了深入分析,求出了所有数值解。并采用几何图解法验证了位置正逆解的正确性。在运动学分析过程中引入了矢量分析,使得消元法求解过程十分简便。通过偏置式Delta 并联机构的运动学分析可以证明,某些观点并不准确。     

一种大角度大负载展收机构设计与优化

针对为实现交会对接系统可重复使用而产生的可展收防热装置设计需求,提出了一种双四连杆串联式防热罩展收机构,建立了ADAMS仿真模型,以大传动角、避免杆间重叠干涉以及展开位置死点自锁为约束条件,对展收机构的铰点位置和连杆长度等参数进行了优化设计,实现了四杆机构在死点位置时防热罩展开180°的几何特性,具有断电保持能力。通过对大惯量负载的驱动力分析,确定了最小驱动力矩(64.6 N·m)。可实现大角度、大负载重复展收。     

平面五杆并联机构优化的自重构方法

并联机构机械臂具有工作空间小、运动学和动力学运动特性复杂的缺点。基于优化技术,各种并联机器人运动综合技术只能相对地提高机械臂的运动性能,不能保证一定能得到满足实际要求的设计结果。本文提出了机构的动态重构思想,并以五杆并联机械臂为具体对象,研究了机构运动学各向同性的最优综合设计问题,指出可重构并联机构的两种运动阶段：正常运动阶段和机构重构运动阶段,这两个运动阶段可以采用统一的运动性能评价方法进行研究,从理论和方法上指出了一条从本质上提高并联机构运动性能的方法,以平面五杆并联机构为对象给出了计算实例和具体方法。     

单层构架式可展结构平面度分析与测试

对某弹性元件驱动的单层构架式可展结构的平面度评价指标进行了定义。根据可展结构基本组成单元中构件的相互几何关系,结合Monte Carlo法及多元线性回归方法,分析了构件的尺寸和加工误差对可展结构平面度的影响,利用非接触测量方法测试了可展结构模型的平面度。参考平面度分析结果,在可展结构模型I的基础上减小接头开孔圆心至侧板边缘尺寸并制作模型II。经测试,模型II的平面度得到改善且满足设计要求,验证了平面度改善方法的可行性。