捕获轨迹试验六自由度机构运动学动力学研究

作     者：李宁 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：石万凯

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 081105[工学-导航、制导与控制] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：六自由度机构 运动学逆解 动力学建模 轨迹规划 

摘      要：飞机在发射或投放导弹、炸弹、副油箱等外挂物时,为避免这些外挂物与飞机发生碰挂,必须对从飞机发射或投放后的外挂物的运动轨迹进行模拟测量。而模拟测量需要一套放在风洞中的六自由度机构。本文设计了一套新的六自由度机构,并对该机构进行了运动学、动力学以及轨迹规划进行了研究。1)针对以前设计的风洞捕获六自由度机构不能满足现在行程的要求,本文提出了一种新型六自由度机构;由于D-H法所有运动都是关于X轴和Z轴的,而无法表示关于Y轴的运动。本文提出应用基本坐标变换和D-H法联合对该整体机构建立了运动学的正解方程,并对机构在不同姿态工况下进行有限元分析;采用蒙特卡洛法分析其工作空间,并用SimMechanics中的仿真法进行对比,验证了运动模型与工作空间的正确性,结果表明在满足结构强度和刚度的条件下,使得X向行程提高3.6倍,Y向行程和Z向行程提高了4倍。2)对该机构运动学逆解运用BP神经网络法、数值法、解析法进行了探索,结果表明BP神经网络法比数值法和解析法误差大,数值法与解析法精度很高。解析法不需要赋初值和循环迭代,所以求解时间更快,适合求得确定表达式的逆解。而数值法更适合于逆解时求不出确定表达式的情况。针对数值法求解方程初值估计难的问题,提出一种新的方程初值赋值方法,并通过实例证明了该方法的正确性。3)在多自由度串联机构动力学推导过程中,由于先对杆件的每个质点进行分析再求和最后当成刚体分析,动能推导过程异常繁琐。构想是否能够把刚体直接简化为质点进行简化运算。从能量守恒的角度提出了定轴转动刚体等效为质点的公式,简称为等效质点模型。然后分别建立刚体、质点、等效质点动力学模型,并和adams仿真分析做对比,得出了建立两个自由度的刚体动力学分析时等效质点模型的正确性。同时应用该公式建立了机构六自由度的动力学模型,应用simulink对数学模型进行计算,并和adams仿真结果进行对比,验证了该方法在有无外挂物载荷两种情况下都是有效的。简化了推导刚体动能的繁琐公式。为此类多自由串联机构动力学分析时提供了一种新的数学建模方法。4)对机构关节空间位移进行了3次多项式和5次多项式轨迹规划,通过对比3次与5次多项式的不足点,综合提出了535多项式轨迹规划方法,相比三次多项式,它克服了加速度曲线突变不连续,相比五次多项式,它节约了0.003秒的运行时间,同时减小了最大加速度。为实现本文机构快速平稳的达到预定的位姿奠定理论基础。