串并联混合型末端执行器设计与柔顺控制研究

包含末端执行器设计及柔顺控制方法的在轨柔顺抓捕技术是空间机械臂进行空间探索与实验的基础。基于DELTA型并联机械臂,拓展设计了针对非合作目标抓捕的空间机械臂串并联混合型末端执行器及其基于主动柔顺控制的位置-力阻抗控制器。利用ADAMS与MATLAB对末端执行器系统进行了控制仿真,分析了影响柔顺抓捕控制的关键参数。结果证明设计的末端执行器可以有效地对非合作目标进行抓捕,且抓捕具有一定的柔顺特性;表明影响柔顺抓捕控制的关键环境阻抗参数为环境刚度。     

基于碰撞检测的自适应阻抗控制机械臂系统(英文)

针对柔性关节机械臂,本文阐述了机械臂能够像人手一样安全操作的方法。3种方法相结合,以便机械臂能够柔顺的接触操作对象并控制接触力在预设定范围内。首先,提出采用虚拟分解法的笛卡尔阻抗控制用来实现机械臂在笛卡尔空间的柔顺控制。其次,引入自适应关节动态补偿器使得机械臂能够实施更为精确的控制。最后,设计了基于笛卡尔力反馈的实时路径规划,从而使机械臂能够检测碰撞并控制接触力。基于碰撞检测的自适应阻抗控制器能够简化其在机械臂上的实施,保持机械臂对环境的友好操作,并且严格满足系统的全局稳定性。实验在4自由度的卫星在轨自维护机械臂平台得以验证。碰撞检测实验和轨迹跟踪实验结果证明了所提出方法的有效性和可行性。     

机翼机动减载策略与效果评估

飞行载荷设计是飞机平台设计的重要组成部分,是飞机能力需求与结构强度实现的桥梁。面向高机动飞机较为突出的机翼载荷大的问题,以一种常规布局飞机本体特性和飞行载荷特性为研究对象,通过典型极限动作的机动过程仿真,初步探索机翼机动减载的方式和可实现性,并使用测压风洞试验数据和结构有限元模型评估了减载效果。研究结果表明,通过合适的策略,可有效实现飞机机翼的机动减载,并且不会增加飞行负担对于飞机的疲劳损伤也起到一定的减轻作用。     

电气/机械混合式四余度无刷直流力矩电动机设计(英文)

设计了一种用于直接驱动作动器(DDA)的电气/机械混合式四余度无刷直流力矩电动机。该电机具有同轴的两段定、转子,每段定子中隔槽嵌放两套绕组,从而构成电气/机械混合四余度。并且相对于采用机械传动装置连接两个电气双余度的设计方案,该电机体积、重量小,不存在机械传动装置间隙造成的非线性影响,降低了对余度间转矩均衡的要求,可以通过错极结构来减小定位转矩。设计过程中采用磁路法和磁场有限元计算对该电机进行了详细的分析计算。根据分析计算结果设计制造了原理样机,并进行了电机本体和DDA系统的性能实验。电机本体实验结果与分析计算的结果具有良好的吻合性;DDA系统空载时的电机实验结果表明该电机具有良好的动态特性。     

机器人航天员冗余机械臂自运动优化

为增强机器人航天员的工作能力,机器人航天员的手臂采用七自由度仿人机械臂。根据S-R-S构型七自由度冗余手臂的结构特性,采用臂型角参数化的方法求解运动学。该方法将冗余机械臂的自运动用臂型角来描述,通过对臂型角的二次优化来限制机械臂的自运动。为了使仿人臂处于一种自然的构型和姿态,定义了"偏离中心度"的指标来表示关节偏离中心位置的程度,通过这个评价指标来描述仿人臂的最优位形,从而建立自运动优化函数。采用具有线性减小惯性权重的粒子群优化算法来寻找自运动优化函数的最优解。最后在机器人航天员平台进行验证,可以快速有效地完成冗余手臂自运动优化。     

负载对超声加工声学系统特性的影响

以一维超声振动系统为研究对象,以点、线、面三种不同的加载方式对工件进行加载,研究了负载对超声加工声学系统特性的影响。实验表明,当以点、线的加载方式对工件进行加载时,载荷的变化对声学系统特性各参数的影响不大;而当加载方式为面接触时,机械品质因数Qm、谐振频率fs和动态电阻R随着载荷F的增大有明显的增大趋势,动态电容C和最大电导Gmax却随着载荷F的增大而减小。     

等直段直径对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的影响

为了研究燃烧室内等直段直径的尺寸对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能及流场特性的影响,基于国外研究者完成的固体燃料超燃冲压发动机的实验数据,对不同等直段直径燃烧室工作过程进行数值模拟。采用基于压力的二阶迎风差分数值方法,物理模型为轴对称结构,燃烧模型采用有限速率/涡耗散模型(Finite-Rate/Eddy-Dissipation),湍流模型采用SST k-ω模型。PMMA燃料进口边界由用户自定义函数的方式给定,分析不同等直段直径下超燃冲压发动机燃烧室内流场特性及其性能变化。数值模拟结果显示:随着等直段直径的增大,燃烧室可由壅塞状态转变为超声速流动状态,增大至某一数值(约为16.5mm)附近时,燃烧室出口可以达到完全膨胀状态。同时,燃烧室的燃烧效率逐渐增大,出口处燃烧效率由62.45%增大至72.74%。总压损失也逐渐增大,出口处最大值可达52%,而燃烧室推力逐渐减小。     

基于干扰观测器的柔性空间机器人在轨精细操作控制方法

由于强非线性、强耦合和强时变等特征,柔性空间机器人的稳定精细控制问题一直是一个重大挑战。轻质小型化机器人受空间及重量限制,其关节柔性通常不可忽略,这部分柔性主要是由谐波减速器和力矩传感器的柔性造成的。传统的运动学控制在空载时能保持稳定,但是对大负载、快速运动时的适应性差,严重时机械臂抖动剧烈甚至发散。针对以上特征,提出了一种基于非线性干扰观测器和动力学极点配置的柔性空间机器人在轨精细操作控制方法。仿真实验证明,该方法可以有效地抑制柔性激振,保证响应的快速性和准确性,同时有较好的鲁棒性,能够适应不同类型扰动的影响和末端环境柔顺控制的要求,对工程应用具有一定的参考意义。     

基于卷积神经网络的冗余机械臂运动学逆解求解

针对7自由度冗余机械臂运动学逆解求解时间过长以及通用性差等问题,通过对LeNet模型进行改进,对卷积核、激活函数、损失函数、优化算法、模型结构与初始参数等进行设计与选择,建立了卷积神经网络模型来进行求解.对卷积神经网络模型进行轨迹跟踪实验验证,结果表明:所得到的机械臂关节角度平滑,轨迹跟踪最大误差小于3 mm;所建立的...     

综合应用力学知识的实验教学项目研究

在研究理论力学及材料力学知识基础上，结合学生知识能力结构培养要求，提出了基于等强度梁的静载荷应力、冲击动载荷应力、动载荷系数及固有频率测定的综合验证性实验项目解决方案，该方案兼顾了静态与动态测试的特点和要求，说明了静态应力与动应力的关系，解决了学生人数增加和常规力学实验设备短缺的矛盾。     

直升机主桨毂支臂疲劳试验技术研究

支臂是直升机球柔性桨毂中的典型复杂动部件,疲劳破坏为主要的失效模式.结合某直升机支臂疲劳试验,介绍了试验方案设计、试验实施方案设计及试验数据分析等内容和方法.考虑支臂结构及载荷和组合试验的特点,疲劳试验载荷的比例以模拟载荷分布为原则、以打样设计载荷为手段确定,载荷大小根据试验件的疲劳能力、寿命考核要求、各破坏部位和模式匹配考核确定;试验采取整体试验和局部考核相结合的方法,设计了由支臂和模拟桨叶组成的双铰支梁式支臂整体疲劳试验实施模型;试验监测数据分析有力地保证了试验的有效性.     

基于三角原理的压电驱动微位移定位机构的设计与分析

设计了一种基于三角原理的精密柔性定位机构,机构由压电叠堆作为驱动元件,经由柔顺机构输出缩小的位移.进行了理论计算和有限元分析并在样机上进行了静态特性的实验,结果表明该柔顺机构可以实现预期的运动.     

面向空间机械臂任务验证的硬件在环半物理仿真系统研究

针对空间机械臂在轨任务进行高保真地面仿真和验证的需求,搭建了空间机械臂操作任务验证平台(MTVF)系统。该系统基于硬件在环技术,将空间机械臂动力学仿真模型、两台地面模拟机械臂和测量系统通过实时仿真计算机实现软硬件的整合,具有响应速度快、跟踪精度高的特点。开发了闭环稳定算法和阻抗控制算法以保证MTVF系统的高保真性能,并通过搭建仿真计算模型以及设计地面试验等方法对MTVF系统的性能进行验证,结果表明,该系统能够反映真实微重力环境下空间机械臂的动力学特性,能够实现对真实微重力环境下的空间机械臂在轨操作任务进行高保真的地面试验和验证。     

基于大功率无刷直流电动舵机的建模与分析

以某型飞机电动伺服控制系统中的大功率无刷直流电动舵机为研究对象,利用Matlab完成无刷直流电机本体、减速器的数学建模,考虑到经典PID算法的缺陷,采用不完全微分PID算法实现对电动舵机的控制;建模过程中充分考虑了产品内部减速齿轮机械间隙带来的非线性影响及外部负载的惯性转矩影响,较准确地完成了某大功率电动舵机外在机械特性数学仿真。通过产品实测数据与仿真结果的对比分析,充分验证了数学模型的正确性;仿真模型也分析了产品目前设计不足之处,为进一步优化指明方向。     

空间机器人研究进展及技术挑战

空间机器人是实现空间操控自动化和智能化的使能手段之一,在无人及载人的空间科学探索活动中至关重要。首先,回顾了国际空间站舱内外机器人、中国空间站机器人、在轨自由飞行空间机器人等几类轨道空间机器人工程应用现状,以及已成功在轨应用月面机器人和火星机器人两类星表机器人系统的应用现状。其次,针对空间机器人后续日益复杂的任务需求,探讨了空间机器人在机构构型、关节驱动、末端操作、感知认知、行走移动、动力学与控制等方面面临的技术挑战。然后,论述了空间机器人在多臂、超冗余、柔性化、可重构、仿生等新型机构构型方面的探索,介绍了空间机器人主动、被动柔顺关节方面的研究进展,论述了空间机器人末端执行器在专用化工具及通用化多指灵巧手两个方向的研究进展,总结了星表机器人在新型移动机构构型、高自主导航方面的研究进展,介绍了空间机器人在多传感器集成融合、力与触觉感知方面的研究进展,论述了空间机器人在多臂协调控制、柔顺控制、漂浮基座抓捕动力学控制等方面的研究进展。最后,展望了空间机器人在空间目标抓捕与移除、高价值飞行器在轨服务与维修、空间大型构件在轨组装及星球科学探测等方面的应用前景。     

多关节脚限位装置机构设计与仿真分析

对在空间微重力环境下,通过连接空间机械臂来固定和支撑航天员在轨维修操作的多关节脚限位器装置进行研究。多关节脚限位器装置限制航天服的靴子防止航天员脱离脚限位器,同时为航天员在轨维修操作提供多个自由度的调节范围。对多关节脚限位器装置的多关节结构进行设计与分析,针对某些特定动作进行运动学仿真,并进行试验验证。此外,还对关节运动范围进行了分析,使用Adams软件对载荷限制单元防冲击载荷与缓慢变化载荷的能力进行了仿真分析。     

空间机械臂维修性系统设计与评价体系的构建

空间机械臂维修性系统设计与评价体系的构建对机械臂维修具有非常重要的意义。结合空间机械臂维修性需求,建立了机械臂"设计-验证-设计-评价"全周期系统性的维修性设计与评价体系,根据维修性系统设计体系进行维修性设计-验证-再设计的循环管理,再根据维修性评价体系,三类评价人员模拟在轨维修操作场景分别开展维修评价,最终根据评价指标中的不合格项进行设计迭代。以机械臂中央控制器在轨维修为例验证该评价体系。研究结果将为后续空间机械臂维修性设计与评价工作提供体系借鉴和工程指导。     

FS-SEA柔性臂改进的反馈计算力矩控制方法

对于基于FS-SEA(力源串联弹性驱动器)的柔性关节机械臂,当其动力学模型已知时,反馈计算力矩法是一种非常直观的控制方法。但是对于一个动力学参数难以精确确定,并且可能受到冲击扰动的系统来说,传统的反馈计算力矩法难以进行稳定地控制。在传统的反馈计算力矩法基础上,提出了一种改进的控制方法。通过在控制律中引入自适应补偿项,保证了控制系统在机械臂动力学参数或所受外力无法精确估计情况下的渐近稳定性;通过在系统的加速度指令之后引入低通滤波环节,大幅度增强了控制系统抵抗外部冲击的能力。仿真实验证明,利用改进的反馈计算力矩法对FS-SEA柔性机械臂进行控制,不仅能够保证系统稳定性,实现高精度轨迹跟踪,而且使控制系统具有很强的抗冲击能力。     

活齿传动的拟动力学研究

本文针对活齿传动的基本型结构,综合考虑弹性变形、几何误差、摩擦学行为及润滑等问题的交叉影响,全面地研究了活齿传动的载荷特性和运动学问题。在受力分析方面,针对该传动多齿同时承载的特点,系统地研究了轮齿载荷分配规律,并提出了一个统一的载荷计算公式。在运动学研究方面,鉴于该传动的活齿及转臂轴承外圈均具有局部自由度的特点,提出了滑动系数的概念,研究了活齿及轴承外圈的打滑规律。      

椭圆形超燃燃烧室内燃料喷射和掺混性能研究

为了优化超燃燃烧室的工作效率和性能,针对椭圆形超燃燃烧室内的燃料壁面垂直喷射方案,通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程的数值模拟方法对不同燃料喷射方案进行研究,着重分析了不同喷注位置的壁面曲率值、喷嘴直径以及反射激波干扰对流场特征及燃料掺混特性的影响。研究表明,喷注位置的壁面曲率对燃料掺混的影响程度与喷嘴直径相关。当喷嘴直径较大时,壁面曲率值越小,燃料的掺混效率越高,但总压恢复系数越低;当喷嘴直径较小时,壁面曲率的改变对燃料横向喷流方案的掺混效率和总压恢复影响很小。在相同喷射动压比下,不同喷嘴直径方案的流场特征以及燃料喷射掺混特性均存在相似性,缩小喷嘴直径能够提高燃料的掺混效率。就本文的研究状态,喷嘴直径为4mm的方案在燃烧室出口处的掺混效率比直径为10mm方案的高出约46.7%。此外,通道中的激波/掺混层相互干扰会大幅降低燃料穿透深度,但产生的剧烈剪切运动能够提高燃料掺混效率。