基于直线驱动的空间可展机构运动分析

将直线机构与折纸机构相结合,设计出一种新型空间可展机构,并对其进行运动分析。运用抽象思维将筝形纸板的四条边线抽象为构件,将相邻边线间的拐点抽象为转动副,提出一种二自由度筝形七杆机构,采用几何证明的方式,对机构执行构件实现直线运动的条件进行研究,结合运动支链为末端执行构件提供约束的本质,通过引入平行约束的方式,设计得到多种单自由度筝形直线机构。以筝形直线机构为基础构造可展单元,阐述模块化组成筝形直线可展机构的原理和过程。根据三浦折纸机构的运动几何特性和面对称性,在运动学分析的基础上,提出一种通过改变对称面上共线等距点的间距来实现机构折展的驱动方式,经由筝形直线可展机构予以实现后,建立整体空间可展机构的虚拟样机模型,研究机构的运动干涉问题及其影响因素,绘制折展率性能图谱,得到了该空间可展机构的折展率随着板厚h的减小和切除长度c的增大而增大的结论,为机构的结构设计和工程应用提供参考依据。     

基于FIS理论的Myard环形组网机构运动学分析

为揭示折展机构连续与瞬时运动的本质与代数关联,将有限瞬时旋量理论(FIS理论)应用于一类过约束折展机构的分析中,提出包括折展单元及其组网机构的运动学分析方法。首先介绍了FIS理论的基本原理、Myard机构和Myard环形组网机构的组成原理。其次对于Myard机构,通过选定合适的初始位形,以构建有限旋量闭环方程的方式解决了折展单元的关节运动参数映射,基于旋量三角积与螺旋运动的定义提出了基于有限旋量的轨迹求解方法,随后由有限与瞬时旋量的微分映射关系得到Myard机构的速度模型。在此基础上,结合参数化的等效广义副将3-Myard环形组网机构简化为单闭环机构,以求解机构的参数映射关系,随后借助与Myard机构相同的分析流程便得到组网机构的位移与速度模型。提出折展单元及其环形组网机构的关节参数映射、运动轨迹和速度模型的分析方法,丰富了折展机构的运动学分析理论,为解决折展单元及其组网机构的运动学分析问题提供了新选择。     

基于新型两层两环连杆的一族伞状可展机构的构型综合

雨伞的连杆机构是最经典的可展机构之一,它是由多个平面连杆或悬臂杆构建而成,呈现出来的是一种低刚度和低耦合性的肋式支撑结构。到目前为止,可用来构建高刚度伞状可展机构的空间闭环连杆可展单元很少。为此,开发一类含三转动副(3R)耦合支链的两层两环空间连杆,并以它们为单元构建多环耦合的伞状可展机构。基于自由度和对称性特征分析了此类两层两环空间连杆机构的结构形式。提出了一种简洁高效的模块化组合方法来综合两层两环空间连杆可展单元;根据机构的单自由度要求和结构的对称性建立了单元间的可动连接方式;根据综合得到的可展单元和单元间的可动连接方式构造出一族新型伞状可展机构。不同于传统的雨伞机构,这些新型伞状可展机构呈多环耦合状的桁架式结构,在航天装备、建筑结构、艺术结构等领域具有良好的应用前景。     

筝形直线可展机构及其动力学分析

将筝形直线机构与剪叉机构结合,提出一种仅含转动副的筝形直线可展单元,并设计得到一种筝形直线可展机构。根据机构结构学分析理论,阐述了筝形直线可展机构的模块化组成原理,并将其分解为外部模块和中间模块,两种模块均由筝形直线可展单元构成;对单个的筝形直线可展机构进行运动学建模,结合其模块化组成原理,得到相邻模块间的运动学递推关系,并以此为基础,运用Lagrange方法建立筝形直线可展机构整体动力学模型;以6层可展机构为例,对其进行动力学数值计算和虚拟仿真,通过设置末端执行器的输出运动规律,求解得到机构所需的驱动力矩,验证所建运动学和动力学模型的正确性和有效性。研究结果表明:当末端执行器的输出运动规律为正弦加速度曲线时,机构在整个运动过程中稳定性好,无冲击影响。     

基于螺旋理论的三棱锥折展机构构型综合与组网

研究折展单元机构构型综合对于可展开天线机构创新设计具有重要意义。根据三棱锥折展单元机构多运动输出期望公共运动和期望同步运动自由度要求,基于螺旋理论约束综合法,完成机构公共运动和耦合同步运动支链的构型综合,获得了多种基本折展单元构型,并结合应用实际确定一种优选三棱锥折展单元机构。根据3RR-3RRR单元折展机构的组网方式和组网运动的要求,采用螺旋理论进行了运动副的构型设计和优化,综合出一种具有耦合自由度的高刚度三棱锥折展单元组网机构。所采用的构型综合方法实现了螺旋理论约束综合法在折展机构构型综合中的应用,为具有多运动输出部件耦合运动要求的机构综合研究提供参考。综合得到的机构适用于星载构架天线反射器等空间曲面支撑类机构应用需求,具有广泛的应用前景。     

可重构立方体机构的设计与运动模式分析

随着航空航天技术的飞速发展,大型空间折展机构的功能需求越来越多样化,具有多种展开模式的可重构可展机构应运而生。以可展立方体机构作为研究对象,介绍了其机构组成以及分层构造方法。通过分析立方体机构的相邻面单元间约束,绘制了面单元的机构简图,得到了面单元在正方形和长方形外轮廓下的几何约束条件。分析了三个相邻面单元的耦合运动情况,得到了三个面的可能运动模式,并在此基础上得到了立方体机构的可能运动模式。通过顶点连接、边连接、面连接,得到了两个立方体机构的组合机构,并开展了各种连接条件下的多模式分析。最后通过制作原理模型样机,搭建了边连接和面连接的立方体组合机构的典型构型,验证了理论分析的正确性。     

精确直线可展机构及其动力学分析

将Hart直线机构和剪叉机构相结合,提出一种仅含转动副的直线可展单元,并设计得到一种精确直线可展机构。根据机构结构学分析理论,阐述可展机构的模块化组成原理,将机构的组成分解为底部模块、中部模块和顶部模块,3种模块均由直线可展单元构成;对单个直线可展单元进行运动学建模,结合机构的模块化组成原理,推导得到任意模块间的运动学递推关系,求解得到多层模块条件下机构的整体运动学模型,运用Lagrange方程构建机构的整体动力学模型;以3层可展机构为例,对其进行动力学数值计算和虚拟仿真,验证所建运动学和动力学模型的正确性和有效性。通过给定末端执行器的输出运动规律,求解得到机构所需的驱动力矩,结果表明：末端执行器为正弦加速度曲线时,机构在整个工作周期内无冲击,运动稳定性好。     

多模式空间6R地面移动机构

提出一种新型空间单闭链F1C1（约束力F和约束力偶C）约束型6R（转动副）机构,并应用其研制一种地面移动机器人。基于单环运动链构型综合方法,构造出空间单闭链单自由度F1C1约束型6R机构,应用螺旋理论进行自由度和奇异位置分析,结合地面移动需求构造地面移动机器人,进行了杆件形状的设计,规划驱动电动机布局方案,完成运动学和移动机理分析,规划类蠕动、平面4R转向和内翻三种移动模式,分析越障性能,揭示其突出的折展特性。制作样机,验证了多模式空间6R地面移动机构方案和运动规划的可行性。     

卫星可折展空间碎片防护机构动力学分析

针对传统 Whipple 防护结构占用空间大、质量较大、防护覆盖面积小,且充气防护结构重复利用性差、可靠性低等缺陷,设计了一种卫星可折展空间碎片防护机构。根据可折展铰链运动规律,结合 D-H 法对防护机构进行展开运动学分析;在此基础上,借助 Lagrange 动力学方程建立防护机构动力学模型;最后基于 ADAMS 建立仿真模型,将理论模型计算结果与仿真数值对比结合分析,验证了动力学模型的正确性,并对运动规律进行改进,提高了机构运动效率。     

卫星平面可展天线背架结构设计与分析

利用空间四棱锥单元,这里提出了一种卫星平面可展天线背架的结构方案。从机构学的角度出发,建立了可展天线背架机构的简化模型,对机构进行了模块化拓展,推导了机构的自由度与模块数之间的关系。为了研究机构的动态折展过程,这里建立了可展天线背架机构的数学模型,对机构折展过程进行了运动轨迹仿真。为了研究机构的结构动力学特性,这里建立了平面可展天线背架机构的有限元模型,并完成了机构的模态分析、谐响应分析及热变形分析。     

剪叉弯曲折展变胞机构的设计与分析

提出了一种基于剪叉机构单元的剪叉弯曲折展变胞机构单元,给出了构造该变胞机构的约束条件。建立了该机构单元运动的数学模型,通过计算分析了该机构的自由度和运动形式。提出了剪叉弯曲折展机构单元在剪叉机构运动和弯曲机构运动状态转变的工程实现方法,并通过计算分析得到了实现该方法所需的杆长约束条件和角度初始条件。提出了控制机构单元弯曲曲率的方法,通过数值计算得到了限位连杆长度与弯曲曲率的定量关系。该机构单元可以串联组合用于大尺寸物体的抓取。建立了单个机构单元以及两个机构单元组合的三维模型,进行了运动仿真模拟,验证了设计的可行性。     

空间伸展臂折展单元展开运动特性分析

基于对国内外空间伸展臂机构研究状况分析,提出一种四棱柱型剪叉式空间伸展臂。在分析伸展臂工作原理的基础上,确定折展单元(剪叉单元)的构型特征,并基于螺旋理论求解伸展臂折展单元运动度,验证四棱柱型剪叉式空间伸展臂的运动单一性和折展稳定性。据此,分析空间伸展臂折展单元的几何特性,获得折展单元轴向展开运动规律线图,并利用所研制的原理装置在低重力模拟环境下完成伸展臂展开性能和重复展开精度测试,结果表明四棱柱型剪叉式空间伸展臂满足空间折展机构的功能需求。     

基于高斯映射的可展曲面等曲率离散问题研究

提出可展曲面及其折展结构的空间高斯映射数学建模方法与分析理论,实现空间折展特性分析与折纸曲面的离散化研究,并继而可以进一步引申到可展曲面的等效数学模型的空间机构学研究。通过建立可展曲面的高斯映射方法,建立空间折展曲面与复杂折展结构的高斯球面曲线,实现三维空间折展结构降维到二维球面曲线,且以高斯映射方法建立可展折纸曲面的数学模型基础理论,并通过曲线曲面理论,将三维的可展曲面问题转化为高斯球面曲线的数学分析。继而通过折展曲面与折展单元的高斯球面曲线的对应研究分析,且由球面曲线的离散得到折纸曲面的近似多面体折展结构,并为其等效机构学特性研究奠定基础,进一步将曲面折展转化为平面折展可对应的现有机构和机器人学问题,实现曲面折展问题与平面折展问题对接,并探讨其工程应用依据。     

具有三阶幻方拓扑构型的厚板折纸机构运动相容性分析

折纸机构是折展机构的一种,折痕分布对折纸机构的刚性折展运动有直接影响。首先,提出一类具有三阶幻方拓扑构型的折纸机构,运用拓扑学理论对折纸机构的拓扑组成元素进行分析,通过构造网孔环路矢量和折痕分布矩阵,形成一种可用于描述折纸机构折痕分布特征的矩阵表示方法。其次,建立拓扑图旋转、翻转和镜像操作过程的矩阵运算数学模型,对256种三阶幻方折纸机构拓扑构型进行同构判定后,将得到的23种拓扑构型分为方扭型、轴对称型和不规则型。最后,在考虑板件厚度的同时,为了判断机构是否可刚性折展,将三阶幻方中每一个网孔环路处的单顶点四折痕机构等效为Bennett机构,通过引入分位角参数矩阵、转角特征矩阵和分位角特征矩阵,建立运动相容性判定方程的通用表达式,提出运动相容性系数的概念,并将其应用于厚板机构的刚性折展性分析,发现23种拓扑构型中有19种可用于厚板折展单元的设计,以折展单元与其镜像体进行模块化扩展为例,说明了此类折展单元在构造大尺度折展机构时的应用前景。     

一种仿生折展机构设计与应用研究

以合瓣高脚蝶形花冠的迎春花为例,对花朵开放过程中的展开过程进行提取,设计出一种能够实现折展功能的仿生折展机构,根据花瓣开放展开形态,并根据机构学概念,提出一种仿花瓣折展机构设计概念模型,通过机构构件运动副数目方程组和运用胚图法完成对七杆以下平面闭环机构的构型综合,并从中优选可用机构构型作为仿花瓣折展机构单元,对折展单元...     

基于正六边形折纸的单自由度可展结构

可展结构在航空航天领域应用广泛,其性能的优劣直接决定航天任务的成败.随着各种空间设备向着大型化和复杂化方向发展,对性能优良的可展结构的需求与日俱增.为了设计具有高可控性、大收纳率的可展结构,从刚性折纸的角度出发,对一种已有折纸图案进行改进,设计出一种新型零厚度正六边形折纸.进一步结合桁架理论和厚板折纸理论分析并降低了其自由度,从而提高了该机构的可控性,并借助D-H法对其进行了运动学分析.考虑到实际工程中应用的空间设备多有一侧为平整的工作表面,通过采用新的机构对原有机构进行运动等效替换,使其具有一侧平整展开表面,最终得到了一种具有单自由度大折展比的可展结构设计方案.     

基于正棱锥可展单元的球形雷达校准机构的设计方法及研究

地面雷达监测是目前对空间碎片最为有效的监测方法之一,为了保证地面雷达测量精度,需要对其进行鉴定、校准。校准装置需要具有恒定的外形,尽可能接近球形,同时为满足发射时体积包络要求,亟需一种具有小折展比的可展开球形雷达校准机构。通过对成角杆剪式单元进行分析,提出了一种成角杆正棱锥剪式单元,该单元能够实现空间放缩;通过对空间多面体的研究,分析了球形多面体的构造方法;根据所构造的球面构型,通过模块化的正棱锥可展单元组合的方法构成球形可展机构。总结了一种用于设计球形可展机构的理论方法,并通过原理样机验证了方法的可行性,将为我国第一颗雷达校准卫星研制打下良好的基础,具有很好的应用前景。     

空间多臂机构折展性及其结构配置设计

为提高空间多臂机构折展特性和操作特性等运动性能,通过多臂机构与操作物体可组成并联机构拓扑形式的设计思想,提出了一类具有折展特性和多种操作能力的空间多臂机构。定义了用于叠放折展支链的区域及策略,提出了折展支链的延伸性判别条件。基于指定区域的尺度限制,设计了具有不同自由度且满足特定叠放要求的折展支链。其次,以拓扑形式分解的方法将操作物体的工作模式进行分解表达,给出了多臂机构的结构配置形式。结果表明,基于所提方法,空间多臂机构可通过与操作物体自主释放与组合,改变拓扑形式,实现兼具折展性能和多种操作模式的设计目标。     

基于旋量理论平板折展机构构型综合与分析

为了解决平板折展机构单元构型种类少的问题,对平板折展机构进行了构型综合,并优选出了一种机构进行运动学分析.基于对平板折展机构收拢原理的分析,运用旋量理论提出了一种平板折展单元机构的构型综合方法,综合出多种平板折展机构构型.通过分析比较优选出一种运动副全部为转动副的平板折展机构,对其构型机理及几何特征进行了分析,并基于旋...     

基于双层可展单元的空间伸展臂设计与分析

空间伸展臂广泛应用于航空航天领域。现有空间伸展臂的可展单元构型设计相对单一,所以提出了一种基于双层可展单元的空间伸展臂,设计制造空间伸展臂实物样机。通过多项式响应面法,建立起双层可展单元的基频代理模型。分析单元基频、折展比与单元基本结构参数之间的关系,得到了单元基频图谱和折展比图谱。通过Simscape进行伸展臂展开运动仿真,得到了伸展臂展开过程的运动特性和驱动特性,并通过伸展臂的地面展开试验进行验证。通过ANSYS进行伸展臂展开后的模态仿真和拉压、弯曲、扭转载荷下的静力学仿真,发现侧面拉索可以有效提升伸展臂的基频和静力学刚度。