一种AUV并联型矢量推进机构的姿态控制算法

为克服一些AUV矢量推进方式存在的作动器外置、自由度冗余等缺点,提出一种基于少自由度并联机构、作动器内部布置、满足两自由度矢量推进的结构方案.方案采用RS+2PRS并联机构作为AUV推进系统的主体结构,并联机构的固定平台与AUV的尾部舱壁固联、机构的运动平台安装螺旋桨等推进器,将驱动部件和动力输入单元内置于AUV舱体内部,结构紧凑,刚度性能好,便于推进系统的密封与防护;通过推进机构的运动参数解耦分析可知,该推进机构的自由度为2,独立运动参数为螺旋桨安装平台的进动角和章动角;可以采用两个移动副构件作为机构的驱动输入,建立推进机构欧拉姿态角与两路驱动参数之间的非线性映射模型;利用MATLAB和ADAMS的联合仿真分析,并搭建实物装置实现了螺旋桨姿态角的快速调整,从而实现AUV航向角和俯仰角的改变.研究结果表明,该型两自由度推进机构结构可行,姿态控制算法正确有效,可以有效提升AUV的水下机动性和工作效能,为后续两自由度矢量推进机构的工程化应用奠定理论基础.     

无鳍舵矢量推进水下机器人纵向稳定性研究

为了提高水下机器人低速航行时的机动性,提出了将一种基于球面并联机构的矢量推进螺旋桨应用于水下机器人,建立了旋量形式的六自由度运动学模型。针对矢量推进的二维转动角分解了矢量推力,得到了三维方向上的比例因子,基于牛顿-欧拉法建立了矢量推进水下机器人的动力学模型。同时提出了以矢量推进的比例因子作为输入量,利用拉普拉斯变换建立纵向运动的复数域扰动模型,基于扰动模型提出了无量纲化的矢量推进稳定裕度指标。数值算例验证了水下机器人无鳍舵矢量推进方式的有效性与稳定性。     

嵌套Z轴式水下矢量推进系统建模与特性分析

为提高矢量推进系统的水密性和承载能力,提出一种内、外嵌套Z轴机构,实现螺旋桨的矢量推进. 建立矢量推进系统运动学模型,获得矢量轴偏转角与内、外Z轴转角的关系. 推导驱动电机偏转角反解公式,搭建Simulink与ADAMS联合仿真模型. 将反解结果代入仿真模型,仿真矢量轴偏转过程. 通过对比仿真曲线与理论分析结果,检验模型的正确性. 分析矢量推进系统偏转过程中运动副的力学特性,结果表明：基于反解数据仿真得到的矢量轴偏转角与给定结果吻合程度较高,在矢量轴偏转过程中,内、外Z轴偏转电机上的驱动力矩呈周期性变化,且幅值随着偏转角度的增大而逐渐增大.     

半转叶轮仿生推进器模型的实验方案设计

半转叶轮仿生推进器是基于半转机构实现韦斯-福(Weis-Fogh)效应仿生原理的新型船舶推进器,其推进原理不同于普通的螺旋桨,为探寻其工作时流体的流动特性及由此获得的推进力和推进效率等,需设计合理的实验方案对推进器模型进行实验研究.     

完全各向同性解耦2T2R型并联机器人构型综合

为得到完全各向同性解耦并联机器人构型,基于GF集理论提出一种简单而有效的构型综合方法.阐述GF集的基本概念、运算法则以及转动特征存在条件;给出机构输入运动副选择原则和分支设计准则,确保了并联机构运动各向同性及解耦性;根据该构型综合原理,完成2T2R四自由度完全各向同性解耦并联机构型综合,得到大量新构型;针对所综合的一种新型并联解耦机构,基于螺旋理论求得该机构运动输出,通过求解到的雅克比矩阵,验证该机构的完全各向同性,证明了该构型方法的有效性.     

可控翼混合驱动水下滑翔机运动性能研究

提出了一种可控翼混合驱动水下滑翔机的概念,借助独立控制的左右滑翔翼和螺旋桨推进器,该滑翔机能够实现高效率滑翔推进和高机动性螺旋桨推进2种推进方式,可有效解决现有水下滑翔机或推进效率低或机动性差的问题。为了研究该滑翔机的运动性能,基于Newton-Euler法建立了六自由度运动数学模型。通过求解稳态滑翔运动平衡方程,定量分析了可控翼翻转角对滑翔机滑翔性能的影响。根据六自由度动力学模型,对该滑翔机的滑翔运动和螺旋桨推进运动进行了仿真研究,仿真结果表明可控翼混合驱动水下滑翔机相比常规水下滑翔机有较高的航行性能。     

轮泵复合式两栖驱动方法

将360°回旋喷管和二维矢量推进特性引入到喷水推进装置, 通过对现有两栖机器人的运动特性、两栖环境适应性的综合分析,将中空的驱动轮与轴流叶片进行复合,设计了一种轮泵复合式的两栖矢量喷水驱动装置. 根据动量定理与流道压力能损耗理论,求解了两栖喷水驱动装置的二维推力与电机转速的预估值. 基于能量守恒和粘滞阻力原理建立了驱动电机转矩的预估模型. 对两栖推进装置进行CFD仿真,得到了推进器内部流道的压力、速度等流动特性. 最后制作了轮泵复合式推进器,测试了推进器的推力性能,得到了特征尺寸为50 mm×100 mm×90 mm的推进器转速为2 800 r/min时推力大小为6.5 N,与仿真结果对比误差小于8%,验证了该构型在水下推进的有效性和二维矢量推力特性.     

连续摆动吊舱推进器水动力性能数值模拟

为了探讨吊舱推进器瞬时回转工况中的水动力性能,本文使用RANS方法,采用了SST k-ω湍流模型对吊舱推进器所受载荷进行研究。螺旋桨模型选用右旋四叶桨,计算域使用切割体网格生成器对网格进行划分。吊舱推进器的运动采用了滑移网格的方法实现连续摆动;探讨了不同进速系数下的螺旋桨载荷特性,并且比较了吊舱推进器在瞬时回转工况中和稳定斜流工况下的水动力性能。数值模拟结果表明:与稳定斜流工况下相比,吊舱推进器在从左舷转向右舷的过程中推力系数更大。随着斜流角的增加,瞬时工况和稳定工况中下吊舱推进器所受载荷变化趋势一致。     

一种5轴混联铣床运动学的矢量法分析

介绍一种由3自由度并联机构和2自由度串联机构组成的5轴混联铣床.采用矢量分析的方法,引入单位矩阵和四元素向量对运动学分析中的高阶转换矩阵进行降阶处理,实现机构输入参数与机构独立运动参数之间的矩阵转化,解决了机构运动参数耦合的问题;详细推导出铣床的并联部分驱动输入速度、加速度与机构动平台输出速度、加速度之间的数学关系,借助于运动学仿真分析软件验证了算法的正确性.该算法对于具有运动参数耦合的并联机构或混联机构的运动学分析、动力学分析以及机构的运动控制具有一定的参考价值.     

新型三平移并联机构的工作空间和运动灵活度分析

文章通过位置逆解公式,描述了机构输入与输出速度关系的逆雅可比,对该并联机构作业空间和运动灵活性进行了分析,给出了一尺度参数下机构作业空间及运动灵活性的分布规律。分析表明,该机构具有几何形状规则的作业空间及较好的运动灵活性,是一种较为理想的能实现三维移动操作的并联机构选型,获得的结果可应用于该并联机构的设计之中。     

含有纯约束分支的无耦合2T型并联机器人构型综合

为解决并联机器人强运动学耦合性问题,提出一种含有纯约束运动分支的无耦合二维移动(2T型)并联机器人的构型综合方法.此类并联机器人的分支运动链包括2种类型:向动平台提供驱动力的主动分支和仅提供约束的纯约束分支.首先基于机构输入-输出运动之间的数学模型和驱动力螺旋理论建立了机构主动分支的结构综合方法;然后根据分支运动特性和约束螺旋理论实现了纯约束运动分支的结构综合;最后按照各分支运动链的配置条件完成了并联机器人的构型综合,得到多种新型机构.对综合出的2种2-RURR/RRR和2-CPR/RPR并联机器人进行自由度和运动分析,基于其雅可比矩阵判断出机构均具有无耦合运动学特性,验证了所提出理论方法的正确性和有效性.     

粘性流场中吊舱推进器性能的数值模拟

针对粘性流场中吊舱推进器的水动力性能问题,采用FLUENT软件进行了相关计算,计算中利用湍流模型封闭方程,采用滑移网格技术模拟螺旋桨的旋转.计算了吊舱推进器各部分的轴向力、侧向力、垂向力变化及主桨叶的受力变化,分析了偏转角和安装角对推进器性能的影响.计算结果表明,舱体和支架上的力为阻力,吊舱推进器会受到一定的侧向力和垂向力,二者大小相近,其影响不能忽略.螺旋桨尾流的影响使得桨盘面处的伴流不均匀桨叶受力产生脉动.当存在偏转角时,推力变大,轴向力变小,运行角会使推力减小,扭矩增加,效率降低.     

考虑回转禁止域的动力定位船推力分配方法

为了研究动力定位（Dynamics positioning, DP）船矢量推进系统的推力分配方法,根据海洋石油286船推进器系统的空间布置特点,推导并建立了一种包含全回转推进器的过驱动矢量推进系统的数学模型。针对全回转推进器回转禁止域约束条件下的推力分配问题,提出一种将控制量进行归一化处理,直接分配与伪逆算法相结合的推力分配方法。通过动力定位过程的推力分配数值仿真分析,表明过驱动矢量推进系统数学模型的准确性;表明本方法可实现动力定位船的三自由度运动控制;本方法还可实现推力优化分配输出,可有效避免全回转推进器在其回转禁止域内输出推力,同时具有简单、准确、实时性强、避免推力饱和输出等优点。本方法对DP船舶运动控制和推力分配方法的研究,具有一定的指导意义和工程价值。     

水下航行体推进器设计方法研究

为了保持水下航行体的横向稳定性,避免在螺旋桨驱动时航行体发生横滚,提出了一种扭矩平衡式推进系统及其数值设计方法.推进器利用与保护导管相连的扭曲后置定子产生反扭矩来平衡螺旋桨旋转产生的扭矩.设计方法中,采用基于面元法理论的数值设计方法设计出螺旋桨,并通过数值迭代设计出导管和后置定子以满足推进器扭矩平衡的条件,最后进行总推力或总功率的校核完成设计工作.文中给出了某鱼雷和某水下机器人推进器的设计过程.通过面元法理论进行了设计参数的研究.设计范例表明了所提出的扭矩平衡式推进器数值设计方法的有效性和优越性.     

3-PTT并联微操作机器人机构误差分析

通过矢量分析方法,分别讨论了3-TT并联机构和两级3-TT串并联微操作机器人机构的误差建模,研究了关节误差和驱动输入误差与机器人输出误差之间的关系,得到机器人机构的误差模型方程,为微操作机器人的误差补偿提供理论指导.     

3-PRRU并联机构静力分析

3-PRRU并联机构具有两个转动自由度和一个移动自由度,无伴随运动,具有广泛的用途,目前相关研究主要集中于运动学层面,静力分析相关研究相对较少。采用矢量法对3-PRRU并联机构进行静力分析,首先通过拆杆法建立了机构在一般位姿下的各杆件的力/力偶平衡方程,然后求解出机构在整个工作空间中的运动副约束反力和主动力,最后通过数值实例计算验证。研究结果可为3-PRRU并联机构的结构设计和实际应用提供理论基础。     

新型两转动自由度完全解耦并联机构及其特性

针对并联机构内部耦合性给其运动学和动力学分析以及控制系统的开发带来的问题,提出一种新型的两自由度转动解耦并联机构．运用约束螺旋法对机构的自由度和运动特性进行分析,通过修正的Kutzbach-Grübler公式计算出机构自由度数目;利用各构件间几何关系,求解机构位置正反解解析表达式;根据机构输入与输出参数间关系式,推导得到机构雅可比矩阵,进而依据雅可比矩阵表达式,验证了机构的解耦特性,并进而讨论了驱动输入的选择对机构奇异的影响．提出的解耦并联机构丰富了机构构型库,对进一步应用具有理论指导意义．     

一种新型具有三维移动自由度并联机器人运动学分析

基于以单开链为单元的并联机器人机构组成原理 ,设计构造了一种动平台能实现空间三维纯移动的并联机器人机构 ,进行了机构运动输出特性分析及运动确定性分析 ;给出了其位置分析的正、逆解析解 ,并分析了该机构的输入—输出运动解耦性     

可控参量对水面仿生矢量推进器性能影响

针对两栖平台水陆差异式推进机构复杂、水上航速低的问题,首先,基于蛇怪蜥蜴脚掌运动学规律,研究矢量推进器的仿生机理,设计新型水面平台和两栖平台,样机试验达到了推进器气穴式推进以及平台10.6°攻角滑水航行的仿生效果.然后,结合ЦАГИ方法,开展了水面平台滑水航行动力学分析,进一步建立了平板旋转绕流模型,在单叶片力学特性和推进器合成分析的基础上,得到了驱动输出对应的最优轮轴高度以及航速与转速协同变化对驱动性能的影响,并进行了试验验证.结果表明:由单叶片三维驱动可推导推进器的周期性输出;轮轴从水面开始升高,托举力和转矩振幅先增大后减小,推力振幅单调递减,三维驱动输出峰值对应不同轮轴高度;推力和转矩整体随航速增加而减小,随转速增加而增大,托举力的变化趋势不同.     

一种新型解耦二腿三维平移并联机构及其运动分析

基于以单开链为单元的并联机器人机构组成原理,设计了一种动平台能实现空间三维纯移动的二腿并联机器人机构,对其进行了机构运动确定性分析、运动输出特性分析;还给出了其位置分析的正、逆解析解及速度解析解,讨论了该机构的输入-输出运动解耦性。