冗余度大型射电望远镜广义Stewart平台

鉴于新一代大型射电望远镜的悬索舱体系统与Ｓｔｅｗａｒｔ平台机构在工作原理上　的相似性,将悬索舱体系统视为广义Ｓｔｅｗａｒｔ平台。为了消除系统的力奇异性,通过增加冗　余悬索,构造了冗余度大型射电望远镜广义Ｓｔｅｗａｒｔ平台。利用作用于舱体的悬索张力与载　荷之间的Ｊａｃｏｂｉａｎ变换矩阵的行列式与条件数,描述了系统工作空间内力奇异性的特点,以　及冗余驱动力消除系统力奇异性的显著效果。     

大型射电望远镜类Stewart平台的奇异性研究

将大型射电望远镜的悬索馈源舱体系统类比于Stewart平台,对其进行奇异性的研究。考虑柔性悬索只能承受拉力的特点和天文观测的要求,分析了馈源舱的可实现工作空间。基于系统的非线性静力平衡方程,根据力传递Jacobian矩阵的行列式和条件数,剖析了工作空间内部的力奇异性。研究结果为确定系统工作空间提供了依据,为改进系统结构设计,消除奇异性提供了参考。     

大射电望远镜馈源精调试验平台的运动学研究

设计了一种包含两级 Stewart平台构型的大型球面射电望远镜馈源精调试验平台 ,该平台具有位姿实时测量和跟踪定位功能。文中详细讨论了试验平台运动学正逆解的求解方法 ,并按照几何约束条件验证了它的工作空间 ,这些工作可为大射电望远镜馈源支撑系统的结构优化设计提供有益的依据。     

基于电流变液的大射电望远镜馈源支撑系统风振阻尼控制

针对新一代大射电望远镜机电光一体化创新设计悬索馈源支撑系统的随机风振响应问题,设计了一种电流变可调阻尼器来实现大射电望远镜悬索馈源支撑系统风振的附加阻尼控制,彻底解决了对于柔性悬索结构振动的附加阻尼控制难题。推导了电流变可调阻尼器的力学模型,并提出了相应控制策略。通过计算机仿真,验证了所设计的可调阻尼器的有效性,可使馈源支撑系统的风振降低５０％左右,可有效地提高馈源轨迹跟踪的精度。     

大型射电望远镜馈源舱对Stewart平台扰动的响应

Stewart平台作为馈源位姿精调机构安装在大型射电望远镜的悬挂馈源舱中 ,与悬索对馈源舱位姿的粗调机构一起 ,构成馈源位姿的两级调整系统。模拟了当Stewart平台对馈源位姿进行精调时 ,馈源舱由于Stewart平台反作用力的扰动而产生的位移响应。根据模拟分析结果和观测精度要求 ,提出了保证馈源位姿两级调整方案成功实施的改进设计     

大型射电望远镜悬索馈源支撑系统静刚度分析

针对大射电望远镜(LT)悬索支撑系统特殊的结构形式,对6索组成的馈源支撑系统的静刚度进行分析。首先,对舱索系统静平衡方程沿馈源舱运动方向上求导,同时考虑到悬索刚度随其应力变化而呈现几何非线性的特点,给出了馈源支撑系统静刚度的公式。其次,在上面结果的基础上,分析了一个定点位置下馈源舱在外界扰动下的振动情况,通过与大型射电望远镜50 m室外模型振动试验结果相比较,说明了静刚度求解方法的有效性。最后,给出了大型射电望远镜50m模型馈源舱运动空间边缘的悬索应力与馈源支撑系统刚度的关系。     

大型射电望远镜宏-微机器人系统初始状态的标定

为了保证大型射电望远镜馈源对射电源目标的动态跟踪定位精度 ,对馈源宏 微机器人复合运动控制系统进行了基础标定。首先 ,借助于悬索长度与张力的一一对应关系 ,通过调控悬索伺服系统零位时的电机转矩 ,标定了舱索宏机器人系统的零位索长。然后 ,借助于Leica全站仪 ,标定了Stewart平台微机器人系统虎克铰在馈源舱局部坐标系中的坐标。两个模型运动控制实验结果表明 ,对宏微两级系统的标定是必要和有效的     

一种空间悬索的几何非线性计算方法

以单元两节点的矢径与切矢量作为描述变量,对空间悬索进行单元离散,采用Hermite插值建立悬索单元。基于空间悬索曲率连续这一物理事实,单元公共节点处矢径的二阶导数连续,将悬索中间节点的切矢量用两端节点矢径与切矢量表达,实现系统自由度缩减。依据虚功率原理,建立空间悬索非线性平衡方程,对平衡方程求时间导数,得到系统方程的雅可比矩阵。采用三点抛物线近似悬链线的方式建立悬索初始形状,得到非线性方程的初值。对于仅承受重力且已知无应变原长的悬索,采用端部载荷与重力平衡的方式,计算出悬索两端的载荷。在此基础上,实现在已知悬索一端载荷大小的情况下,计算悬索无应变原长。提出了一种空间柔性悬索的几何非线性计算方法,通过数值算例,验证了方法的可靠性,为空间静态悬索计算,提供一种新的计算途径。     

基于遗传算法的Stewart型平台结构参数优化设计

机械的结构参数对其运动性能有十分重要的影响。首先论述了选择Ｊａｃｏｂｉａｎ矩阵的条件数作为Ｓｔｅｗａｒｔ型平台优化池数的合理性,并以Ｊａｃｏｂｉａｎ矩阵的条件数为优化设计目标函数,应用遗传算法优化设计了大射电望远镜Ｓｔｅｗａｒｔ型精调平台的结构参数,为满足高精度的馈源轨迹跟踪打下了坚实的基础。     

索支撑柔性结构的动力学分析与控制

根据悬索精确的悬链线解析表达式推导出两端固定时悬索初始长度与拉力之间的关系，从而能够精确而高效地获得悬索对两端节点的拉力，在此基础上应用Newton—Euler法建立了舱索系统的动力学简化模型。针对该柔性结构为一非线性、大滞后、强耦合等特点，提出了一种常规PID控制与模糊PID控制并行结合的Fuzzy—PID复合控制算法来实现馈源轨迹跟踪策略。理论分析和仿真实验结果表明，该控制算法不仅能满足馈源舱轨迹跟踪精度要求，而且具有较强的鲁棒性。     

大射电望远镜新构型的结构优化设计、虚牵索的抑制分析及风致振动实验研究

大射电望远镜馈源柔索支撑系统是一类大跨度柔索并联机器人(WDPR)。为了抑制悬索虚牵和馈源舱的风致振动,提出了在此机器人的动平台上增加盛液容器的结构新方案。首先,运用Guldin定理确定轮胎状附加容器中液体体积在并联机器人的不同俯仰角度处的静态分布规律,进而建立此机构的力学模型;其次,建立WDPR非线性两层优化模型,并应用遗传算法获得LT500 m附加容器结构的优化参数;最后,从数值分析和实验两种途径分别检验新方案克服悬索虚牵和抑制风振的效果。分析与实验结果表明与原构型相比,该结构方案能够抑制悬索的虚牵和风致振动。     

空间柔性结构振动的直接速度反馈控制

针对空间柔性结构的低频振动问题，采用轻质的直流电机和拉索作为控制器，通过传感器和控制器的共位布局方式，建立柔性结构的直接速度反馈主动阻尼控制方案。该方案无需柔性结构的系统控制模型，只需调整速度反馈增益，即可以达到控制结构振动的目的。为验证该方案的有效性，文中对一含中心刚体的柔性卫星缩尺模型进行数值仿真，并采用气浮台模拟太空无重力环境，对该模型进行控制实验。仿真和实验的结果表明，该控制方案对空间柔性结构的低频大幅振动有很好的控制效果。     

七索并联对接机构作业空间分析及索力优化设计

柔性索并联机构具有工作空间大、能耗低和惯量小等优点,适合于重载及长径比大的工件吊装对接。提出一种七索驱动的6自由度柔性并联对接机构。借助静力学方程推导出该七索柔性并联机构的结构矩阵,并根据结构矩阵的零空间,计算得到设计参数下的可控工作空间和可行工作空间。通过比较工作空间大小,确定出动平台铰接点角度、动平台半径和下拉索分布半径3个设计参数。以下拉索索力均匀为优化目标,计算出下拉索索力变化情况,并结合工作空间分析和索力变化特点,给出一组满足设计要求的尺度参数。     

A generic force-closure analysis algorithm for cable-driven parallel manipulators

Cable-driven parallel manipulators (CDPMs) are a special class of parallel manipulators that are driven by cables instead of rigid links. Due to the unilateral driving property of cables, the cables in a CDPM must always maintain positive tension. In this paper, a methodology based on convex analysis is developed for the force-closure analysis of fully-constrained CDPMs. This method is systematic, easy to implement and satisfies both the necessary and sufficient conditions. The key point of this method is to define a critical vector that must be positively expressed by the tension vectors associated with the driving cables. The solution can be found by resolving a limited set of linear equations. Following the same approach, the method is also extended to generate the static workspace for under-constrained CDPMs. Therefore, this generic force-closure analysis can cater to the workspace analysis of both fully-constrained and under-constrained CDPMs. The computationally efficiency of the algorithm is verified through simulations.     

基于力觉交互装置的重力补偿方法研究

全胸腔镜手术具有四个自由度操作,基于此设计出了具有五个关节的力觉交互装置进行虚拟手术研究。为提高系统逼真感,考虑到装置操作杆自重的影响,需要对该装置进行重力补偿。首先需要对系统进行力学分析,本文基于旋量理论,导出了该装置的运动学形式及运动空间;基于变换矩阵,导出该装置的静力学形式;最后通过驱动电机输出补偿力进行了装置的重力补偿并加以仿真验证。     

A method of verifying force-closure condition for general cable manipulators with seven cables

This paper introduces a systematic method of verifying the force-closure condition for general 6-DOF cable-driven manipulators with seven cables. Force-closure is defined as that the inverse dynamics problem has a feasible solution for any external wrench exerted on the end-effector. For any given configuration of a 7-cable manipulator, the method can easily determine, by examining the Jacobian matrix of the manipulator, whether a solution of all-positive cable forces exists. The necessary and sufficient conditions of the proposed method are mathematically proven. The paper also addresses the application of the proposed method for determination of the force-closure workspace. As a numerical example, the shape, boundary, dimensions, and volume of the force-closure workspace of a 6-DOF, 7-cable manipulator are discussed.     

二维直角平面内偏心圆形衬砌对稳态入射平面SH波的散射

利用复变函数法、多极坐标变换及傅里叶级数展开技术求解二维直角平面内偏心圆形衬砌对稳态入射平面SH(shearing horizontal)波的散射问题.首先构造出介质内不存在偏心圆形衬砌时的入射波场和反射波场;其次建立介质内存在偏心圆形衬砌时由衬砌外边界产生的能够自动满足直角边应力自由条件的散射波解和衬砌外边界向衬砌介质内的折射波解以及衬砌内边界的散射波解,从而利用叠加原理可写出衬砌介质内外的总波场.利用衬砌外边界处应力位移的连续条件和内边界处应力自由条件以及傅里叶级数展开方法列出求解波解中未知系数的无穷代数方程组,在满足计算精度的前提下通过有限项截断,得到相应有限代数方程组的解,最后通过算例具体讨论衬砌内边界处的动应力集中系数和水平直边界位移幅度比及其相位随无量纲波数、入射波入射角、衬砌位置及其偏心度的不同而变化的情况,结果表明文中算法的有效实用性.     

泛函多维空间理论在动态设计中的应用

多于三维空间的动态设计问题是机械设计的难题,原因是对多维空间没有恰当的认识方法和分析方法,因此,动态设计需要更抽象、更全面的分析方法。泛函空间理论是成熟的多维空间数学理论,是多维空间分析和表达的有力工具。用泛函处理动态设计问题,如多变量系统的描述,关系建模和优化处理等。物理意义完全不同的变量系统可能具有相同的范函结构,便于简化复杂问题的抽象和分析;设计内容是根据物理本质建模和对模型的分析计算,而不是传统的几何分析;设计方法不是类比,而是精确计算;设计结果是系统范函最优解。离心调速系统是一个典型的机械动力系统,根据动态要求,建立和求解该系统的能量泛函,完成系统的机械结构设计。实例表明:泛函设计方法是可行的、数字化的动态设计方法。     

雷达子阵电缆热设计

雷达基本子阵中的电缆排布紧密且有损耗需要散热。某型雷达中,基本子阵是个封闭空间,热量无法通过自然散热和风冷方式散掉。在反射板中设计水道,使反射板兼具冷板功能,电缆热量通过接头传导到金属结构件上,再与水分配器和冷板换热。对该设计方案进行热仿真,结果显示,电缆内导体最高温度满足热设计指标要求。