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风洞六自由度机构运动解耦性分析

中国机械工程 2018年第6期29卷 682-687页

作者：孙琦谢志江吴经纬李晟宋宁策重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044

为了提高高速风洞试验的可靠性,设计了一种适用于支撑外挂物模型的六自由度机构并提出一种尾支杆变换后姿态角的补偿方法。通过串联机器人正向运动学的指数积(POE)公式,推导出机构在模型质心与机构旋转中心重合和不重合两种情况下的运... 详细信息

为了提高高速风洞试验的可靠性,设计了一种适用于支撑外挂物模型的六自由度机构并提出一种尾支杆变换后姿态角的补偿方法。通过串联机器人正向运动学的指数积(POE)公式,推导出机构在模型质心与机构旋转中心重合和不重合两种情况下的运动学正解公式,并给出不重合情况下不解耦姿态角的补偿量。激光跟踪仪标定试验证明该补偿方法具有可行性,从而为实现机构的轨迹规划及实时控制提供了理论基础。

关键词：风洞试验六自由度机构指数积运动解耦标定试验

并联六自由度机构在舰船装备动态环境模拟中的应用

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舰船科学技术 2017年第4X期39卷 67-69页

作者：孟晓烨包头职业技术学院内蒙古包头014030

船舶在海上航行的运动状态具有很多不确定性,会发生俯仰、偏转和横向摆动等多种运动,这种动态环境对船载机械设备的正常运行有许多不利影响。多自由度摇摆平台结合伺服液压系统和机械传动系统,在平台稳定性和动态性能上表现突出。本文... 详细信息

船舶在海上航行的运动状态具有很多不确定性,会发生俯仰、偏转和横向摆动等多种运动,这种动态环境对船载机械设备的正常运行有许多不利影响。多自由度摇摆平台结合伺服液压系统和机械传动系统,在平台稳定性和动态性能上表现突出。本文利用并联六自由度机构,设计一种模拟舰船动态环境的摇摆平台,该平台可实现纵摇、横摇和上下升沉复合摇摆状态控制。

关键词：并联六自由度机构伺服液压摇摆平台

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一个六自由度机构控制系统的实现

电子技术应用 2000年第5期26卷 37-40页

作者：祝汝松秦革红施洪昌吴家明景琦四川安县中国空气动力研究与发展中心四所 622653

叙述了一个六自由度机构伺服控制系统的基本结构、组成、控制原理、伺服控制算法等；介绍了ＴＥ５６５０Ａ控制器模块；同时介绍了伺服控制系统的软件结构和功能。

关键词：六自由度机构伺服控制系统风洞机构抖动

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风洞六自由度机构关键技术研究

风洞六自由度机构关键技术研究

作者：崔云翔重庆大学

学位级别：硕士

风洞试验是将试验对象按一定比例缩小,放入试验段流场中,利用运动的相对性原理制造人造气流模拟飞行器在空中的各种状态,以获得模拟实验数据,验证飞行器性能,是现代飞行器研究不可或缺的关键环节。为提升我国风洞试验能力,为研制新型飞... 详细信息

风洞试验是将试验对象按一定比例缩小,放入试验段流场中,利用运动的相对性原理制造人造气流模拟飞行器在空中的各种状态,以获得模拟实验数据,验证飞行器性能,是现代飞行器研究不可或缺的关键环节。为提升我国风洞试验能力,为研制新型飞机和火箭提供完善的数据支撑,需研制一套模拟外挂物从母机分离的运动轨迹的六自由度机构。为满足风洞试验的要求,本文针对风洞六自由度机构的运动学、动力学、误差及动刚度分析进行研究。在风洞六自由度机构设计方案的基础上,采用D-H参数法建立该机构的空间描述和坐标变换关系,建立运动学模型,并进行运动学正解求解,在三维模型中验证求解结果的正确性。针对串联机构的特性,采用解析法推导出风洞六自由度机构的运动学逆解。采用Robotics Toolbox对风洞六自由度机构进行了运动学正解和逆解的仿真,得到各关节运动参数曲线,验证了建立的运动学正解和逆解的正确性,也验证了风洞六自由度机构结构设计的合理性。用基于能量的拉格朗日函数构建风洞六自由度机构的动力学模型,并在此基础上在ADAMS中建立风洞六自由度机构的虚拟样机,对其进行动力学仿真,得出为满足风洞性能指标所需的力/力矩、功率、速度/角速度、加速度/角加速度等运动曲线。对于机构的误差分析,在运动学分析的基础上对机构建立了误差模型,然后通过设置各关节误差,对误差模型求解,预测出机构末端的误差值。然后对误差进行辨识,得出误差的非线性超定方程组,以改进的最小二乘法迭代求解,得出最终的参数差值。随机选择100组位姿,将参数误差值从新代入计算,比较补偿前后的误差,使机构最终的精度大大提高。为了提升风洞六自由度机构的动刚度,对风洞六自由度机构进行模态响应分析和谐响应分析,找到机构刚度最薄弱的共振点。然后通过将各个结构件和接合面依次刚体化处理,对比结构件刚体化后对整个机构共振频率的影响程度,识别出对机构动刚度影响较大的结构件。针对机构动刚度薄弱环节,采用灵敏度分析法对薄弱结构件进行优化设计,有效地提高了风洞六自由度机构的动刚度。

关键词：六自由度机构运动学误差动刚度灵敏度

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捕获轨迹试验六自由度机构运动学动力学研究

捕获轨迹试验六自由度机构运动学动力学研究

作者：李宁重庆大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：六自由度机构运动学逆解动力学建模轨迹规划

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某试验装置六自由度机构优化设计及误差研究

某试验装置六自由度机构优化设计及误差研究

作者：周能正重庆大学

学位级别：硕士

随着某试验需求的日益提高,现有的试验装置已无法满足实验需求。研制一套与某试验相适应的某试验装置,已经成为某试验的核心问题之一。本文在原有试验装置六自由度机构的基础上,重新改造并优化设计了一套某试验装置六自由度机构。并对... 详细信息

随着某试验需求的日益提高,现有的试验装置已无法满足实验需求。研制一套与某试验相适应的某试验装置,已经成为某试验的核心问题之一。本文在原有试验装置六自由度机构的基础上,重新改造并优化设计了一套某试验装置六自由度机构。并对装置的运动学、动力学、静态误差及振动误差方面进行研究。首先,本文介绍了原六自由度机构结构。根据某试验装置的技术指标要求,开展了原机构的强度及刚度分析。根据分析结果辨识出Z轴立板和X轴轴体是整机静刚度最薄弱的环节,并对Z轴立板进行了误差预防的改造设计,最后对简化整机模型进行响应面优化。在满足技术指标情况下整机的各方向变形尽可能减小,从根源上减少了机构的误差,提高了机构末端的位置精度。其次,在某试验装置六自由度机构设计方案的基础上,采用可以描述坐标变换关系的D-H法建立了该机构的运动学模型,完成了机构的运动学正解。这为之后静态误差分析建立了基础。根据基于能量的拉格朗日函数推导了机构的动力学模型,并且在Adams中进行了六自由度机构的虚拟样机的动力学仿真。最后验证了动力学模型的正确性并获得了机构的动力学参数,为机构选型提供了指导。再次,通过运动学模型中的D-H参数建立了机构的静态误差模型,得出了X轴末端位姿误差和D-H参数误差之间的关系。并设计验证方案验证微分运动误差模型。然后采用最小二乘法迭代求和辨识出几何误差参数,在使用最小二乘法的过程中将雅可比矩阵进行奇异值分解,简化求解并提高计算精度。利用几何误差参数修正的运动学模型对误差进行补偿,有效提高了机构末端的位姿精度。最后,分析机构中X轴轴体末端的振动误差。将X轴轴体看作是轴向移动的柔性悬臂梁,在考虑自重效应和载荷情况下,推导了轴向移动悬臂梁振动响应方程。并以X轴轴体为算例研究了不同速度和不同模型质量下X轴轴体末端的振动规律。对比了采用匀质悬臂梁和端部集中质量悬臂梁的两种振型函数的振动响应结果,得出了两者在特定条件下的等效性。为通过振动抑制提高机构位置精度打下了基础。

关键词：六自由度机构优化设计运动学模型误差研究

风洞捕获轨迹试验六自由度机构运动学标定研究

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风洞捕获轨迹试验六自由度机构运动学标定研究

作者：张竹青重庆大学

学位级别：硕士

捕获轨迹试验是风洞特种试验应用的其中一种方式,来模拟外挂物从母机分离后的运动轨迹,保证外挂物从母机分离后的安全。风洞捕获轨迹试验系统的核心是六自由度机构,通过控制器的控制,实现机构六个自由度的运动,并按指定速度准确高效地... 详细信息

捕获轨迹试验是风洞特种试验应用的其中一种方式,来模拟外挂物从母机分离后的运动轨迹,保证外挂物从母机分离后的安全。风洞捕获轨迹试验系统的核心是六自由度机构,通过控制器的控制,实现机构六个自由度的运动,并按指定速度准确高效地达到指定位姿,完成捕获轨迹试验。六自由度机构的运动精度是捕获轨迹试验准确性、可靠性的重要保障,需要对其进行运动学标定。通过标定实验获得机构各自由度的运动数据,并对数据进行分析,通过误差补偿使机构末端运动精度得到提高。本文根据六自由度机构的串联特点,采用拉格朗日法标号原则对机构进行拓扑结构分析,得到非树系统的拓扑结构图;切断非树系统中的独立回路得到俯仰和偏航机构所对应的直线变圆弧机构,进而推导出弧形滑块转换为直线滑块的运动学正逆解公式,并用MATLAB进行验证;通过对六自由度机构进行坐标系建立和各子机构方向余弦的建立,推导出末端位姿的正逆解公式,并用MATLAB进行验证。对六自由度机构产生误差的原因进行分类分析,并提出机构的精度要求。误差分析重点研究直线变圆弧机构产生的误差,建立相应的误差标定模型,进而辨识运动学参数。对机构末端位姿进行误差分析,位置误差分析对机构解耦与非解耦两种情况进行研究,推导得出机构末端位置与直线驱动之间的正逆解关系,逆解采用牛顿迭代法提高其计算效率,得到位置误差补偿公式;姿态角采用广义欧拉角定义,通过一定的旋转顺序得到其姿态角,姿态角误差是由俯仰和偏航轴线与其所对应的旋转轴线不重合造成的,根据理论分析推导出俯仰角和偏航角与对应的直线滑块驱动之间的关系,得到姿态角的误差补偿公式;耦合误差主要研究角度对直线产生的误差。由于无法直接测得机构末端位姿,因此采用位姿解算的方法计算实际末端位姿,并通过标定实验使标定理论分析得以验证。用激光跟踪仪对机构各自由度进行标定,对采集的数据进行分析与误差曲线拟合,将误差拟合函数带入下位机TwinCAT程序中进行补偿,再次标定并获得补偿后的结果,使机构末端运动精度得到提高,验证了理论的准确性。

关键词：捕获轨迹试验六自由度机构运动学标定误差补偿

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特种六自由度机构动力学建模与轨迹规划研究

特种六自由度机构动力学建模与轨迹规划研究

作者：胡立鸥重庆大学

学位级别：硕士

模型支撑特种六自由度机构是完成某特种试验的关键性设备,本文研究围绕该六自由度机构展开,研究了机构运动学、动力学和轨迹规划。并为了提高该试验效率,在运动学和动力学约束下,通过遗传算法实现了机构时间最优轨迹优化求解。首先,基... 详细信息

模型支撑特种六自由度机构是完成某特种试验的关键性设备,本文研究围绕该六自由度机构展开,研究了机构运动学、动力学和轨迹规划。并为了提高该试验效率,在运动学和动力学约束下,通过遗传算法实现了机构时间最优轨迹优化求解。首先,基于需求及功能分析,研究了一套串联六自由度机构,该机构结构性良好,满足各项技术指标要求。以该机构为基础进行本文的相关研究,通过D-H法建立了机构运动学模型,求出了机构运动学正/逆解,并通过软件编程验证了结果的正确性。其次,采用牛顿-欧拉迭代算法完成了本机构动力学研究,此算法在程序运算上具有便捷性,在后续优化求解中构建动力学约束更方便。根据构建的算法通过MATLAB编程求出了本机构动力学逆解,并在Adams的仿真分析中对比验证了结果的正确性。通过本机构的动力学研究,在满足任务需求的前提下,可以更好的发挥本机构力学性能。再次,研究了本机构在笛卡尔空间和关节空间的轨迹规划,选择了合适的规划方法,满足了不同的实际任务要求。根据规划算法通过MATLAB编程,验证了不同方法进行本机构轨迹规划的效果,规划出的轨迹曲线连续性和平滑性效果好,证明了轨迹规划方法在本机构应用的有效性。通过本机构的轨迹规划研究,使机构完成试验任务更高效,并在此基础上进一步完成了轨迹优化。最后,由于前面轨迹规划中没有考虑动力学约束,规划出的轨迹不是时间最优,针对该问题,提出了以时间最短为优化目标的轨迹优化。以三次样条插值方法构建了运动学约束,以牛顿-欧拉迭代法构建了动力学约束,利用遗传算法求解了优化数学模型。通过遗传算法工具箱仿真计算,求出了最优轨迹所需的最短时间。通过最优轨迹曲线证明了结果满足约束条件,并且最优解使机构性能得到了充分发挥。仿真结果验证了本文研究的轨迹优化算法的正确性和实用性。

关键词：六自由度机构运动学和动力学轨迹规划遗传算法

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空间六自由度机构的容错性能研究

空间电子技术 2023年第3期20卷 54-59页

作者：刘凡邵恕宝马小飞中国空间技术研究院西安分院西安710000 西安交通大学航天航空学院西安710049

空间并联机构通常服务于军事、气象领域中重要的通信设备,其运行过程中的容错能力至关重要。空间六自由度机构在轨应用中,单个支链出现故障会导致整个机构的功能受限,开展对高精度六自由度机构容错性能的分析和研究,对于空间六自由度机... 详细信息

空间并联机构通常服务于军事、气象领域中重要的通信设备,其运行过程中的容错能力至关重要。空间六自由度机构在轨应用中,单个支链出现故障会导致整个机构的功能受限,开展对高精度六自由度机构容错性能的分析和研究,对于空间六自由度机构在轨运行具有重要的意义。利用空间六自由度机构的冗余自由度进行了容错性能的分析与研究,设计并研制了惯性式压电六自由度机构样机,验证了机构在失效环境下的容错性能和可靠性,有效保障了故障状态下的工作性能。

关键词：六自由度机构容错试验研究