柔索驱动并联腰部康复机器人设计、分析与试验研究

腰部损伤患者众多而康复师和智能化康复设备短缺,为了帮助患者恢复腰部运动能力,设计一种新型柔索驱动并联腰部康复机器人(Cable-driven parallel waist rehabilitation robot,CPWRR)。机器人由柔索驱动并联平台、下肢外骨骼和上肢固定机构组成,实现患者腰椎三自由度转动康复训练。考虑人体下肢与运动平台的运动耦合,力学分析过程引入两组辅助坐标系建立机器人的运动学模型,并运用拉格朗日法建立机器人的动力学模型。以人体腰部转动康复训练为实例,规划腰部运动轨迹,进行CPWRR康复训练数值模拟;同时,搭建CPWRR试验平台,进行康复训练试验。对比数值模拟和试验结果,柔索长度和拉力的数值模拟结果与试验数据相吻合,腰部的实际运动轨迹与预定的运动轨迹基本相同,表明CPWRR能够完成腰部康复训练,是一种前景良好的腰部康复设备,试验数据对柔性智能化医疗康复设备具有参考意义。     

垂直钻井并联调整装备的设计与分析

针对当前大型钻井垂直调整技术有限的状况,设计了一种适用于垂直钻井条件下的12输入6自由度并联调整装备。该装备机构具有6个结构对称的冗余支链,每个支链由复合转动副和复合球副组成,复合转动副与复合球副间通过两个移动副连接。基于ANSYS软件对机构进行模态分析,得到动平台前6阶频率分布和模态振型,以及动平台沿着X、Y、Z方向的位移频响。结果表明,动平台对46Hz频率的外力最为敏感。此外,采用三维搜索法确定了6自由度平台的工作空间,对分析参数对整个机构的影响关系及优化参数具有借鉴意义。     

一种附着系数实时可调的汽车制动模拟试验台 设计、分析与实验研究

为了实现车辆制动模拟试验中附着系数的准确模拟和实时可调,设计了一种汽车制动模拟试验台,通过控制磁粉离合器励磁电流,实时模拟不同路面附着系数;搭建了基于路面识别的单轮车辆制动系统仿真模型,进行了单一路面和跃变路面下的制动仿真;研制了车辆制动模拟实验系统,开展了单一路面下汽车制动模拟实验和跃变路面下附着系数跟踪控制实验。研究结果表明,在湿沥青路面上以120 km/h初速度制动时,相比于基于固定目标滑移率,基于路面识别的最佳滑移率下的制动距离缩短了3.1%,且在低附着路面下更为明显;单一路面下制动时车速和轮速的实验值与仿真值基本吻合;跃变路面下附着系数最大跟踪误差仅为6.2%,跟踪控制效果良好。     

基于参数BP网络的自整定PID控制在柔性结构控制中的应用

针对大射电望远镜(LT)悬索粗调系统为一非线性慢时变大滞后柔性系统的特点,提出用参数BP神经网络自整定PID控制器来实现馈源轨迹跟踪策略.仿真研究表明,该控制算法可以很好地满足馈源系统轨迹跟踪高精度要求.     

混合驱动柔索并联机器人的设计与分析

为了使柔索并联机器人高效率、大负载、高性能的运动输出,根据并联机器人机构结构综合理论,设计一种新型混合驱动柔索并联机器人机构,给出机构虚拟样机模型,该机构通过混合驱动平面五连杆并联机构驱动柔索牵引末端执行器完成期望轨迹跟踪运动。基于牛顿—欧拉方法,建立混合驱动柔索并联机器人系统的动力学方程,结合实例进行力学分析和数值仿真。结果表明,混合驱动柔索并联机器人机构设计合理,数学模型正确,为混合驱动柔索并联机器人物理样机设计制造和控制系统的设计提供了理论依据。     

柔索驱动并联机器人动力学建模与数值仿真

柔索驱动并联机器人采用柔索代替连杆作为驱动元件,并结合了并联机构和柔索驱动的优点.500 m口径大射电望远镜(Five-hundred meter apertuer sphreical radio telescope,FAST)粗调系统通过6根索长的协调变化使馈源舱作跟踪射电源的6自由度运动,其工作特点与并联机器人类似,因此可被看作柔索驱动并联机器人.基于此,根据FAST 5 m缩比试验模型,首先应用悬链线解析表达式推导出柔索两端固定时索端拉力与索长之间的关系,用于求解特定长度的驱动柔索对处于某一位姿的馈源舱的作用力.其次,对该舱索系统进行逆运动学分析,采用拉格朗日方程建立柔索驱动并联机器人的逆动力学模型.最后,针对FAST 5m缩比模型的设计方案进行动力学仿真,数值结果表明该动力学建模是合理的.     

基于最小二乘方法的索网反射面形状精度调整

根据大射电望远镜索网主动反射面的变形调整要求,提出了基于最小二乘优化模型的迭代调整方法。优化模型以节点载荷增量为设计变量,追求调整后的节点位置相对于设计抛物面的残量平方和最小。线性化残量函数便可得到调整所需产生的位移场。采用基于弹性悬链线解析表达式的悬索单元建立了索网反射面的力学模型,得到了节点载荷增量与节点位移之间的关系;从而可以根据给定的变形场得到对应的调整力增量。数值算例表明所给调整方法具有很好的收敛速度。     

双模糊控制在柔性结构控制中的应用

针对大射电望远镜悬索粗调系统为一非线性、慢时变、大滞后、柔性结构系统的特点,提出了带有比例积分校正环节的双模糊控制器来实现馈源舱轨迹跟踪策略,并通过调整因子来优化控制规则.仿真结果表明 ,文中的控制效果优于常规控制器（PID）和单模糊控制器.所提方法可推广到多模糊控制并可用来解决其它非线性控制问题.     

提高超大型天线索支撑结构刚度的方法及其对电性能的影响

针对新一代大型球面射电望远镜馈源舱索支撑结构存在扭转刚度低的问题,提出增加稳定索系以提高扭转刚度的方法.稳定索系由3根下拉索构成,每根稳定索的上端与馈源舱连接,下端通过导向滑轮与吊重相连.在馈源舱支撑结构因外部扰动发生振动时,稳定索系起到动力吸振作用,有效提高结构的刚度.考虑大跨度悬索自重对悬索形状和张力的影响,建立包含稳定索系在内的馈源舱索支撑结构的系统非线性平衡方程.给出在外部干扰作用下,改型前后结构位移响应的对比,并通过5 m试验模型验证该方法的有效性.进而,绘制天线方向图,从增益、第一副瓣电平、交叉极化等方面,对增加稳定索系可能带来的对天线电性能的影响进行定量分析.理论分析与试验结果说明,增加稳定索系的支撑方案可以应用于500 m天线工程.     

3自由度柔索并联机构的运动轨迹规划

首先基于3自由度柔索并联机构模型,通过对索端重物进行正、逆运动学分析找到重物位置坐标与索长输入的相互关系。在此基础上,运用达朗贝尔原理推导出各柔索索端拉力与重物位置及柔索长度之间的关系。此过程中建立的非齐次线性方程组,证明了其具有无穷多组解,并采用广义逆矩阵的相关理论求解获得该方程组的最小范数解,即任意一时刻索端拉力的最优解;然后,在满足约束条件的前提下,寻找该并联机构的工作空间,即重物运动轨迹的范围。最后,对重物实现空间螺旋线轨迹进行了仿真,结果表明该机构能使重物的运动满足轨迹要求并具有较好的平稳性。仿真结果也为后续的对实现重物按规划轨迹运动的机构控制提供了理论基础。