轮腿混合机器人机械腿动力学建模与驱动预估

提出了一种可以同时实现迈步行走、有动力轮式机动、无动力轮旱冰式滑行3种运动方式的轮腿混合四足军用机器人,它采用一种基于3-UPS机构的6自由度并联机械腿,对并联机械腿进行了动力学建模与驱动参数峰值预估。通过矢量回路法推导出机械腿的机构传递映射模型,并建立了机构的雅可比矩阵;采用非保守系统的拉格朗日方程建立了机械腿的动力学模型,得到了驱动参数与机械腿的运动函数之间的显式方程。通过机械腿的动力学模型,对6个伺服电机的驱动转速、力矩进行了峰值预估分析,计算出各伺服电机中的最大理论转速为19.7 r/s,最大理论力矩为71 mN·m. 通过一个具体的机械腿设计方案和结构参数算例,分析了机器人按照“1-2-3-4”循环步态迈步行走过程中,其6个伺服电机的瞬时转速、瞬时力矩随时间的变化规律曲线,并计算出此算例的伺服电机最大转速为15.3 r/s,最大力矩为48.1 mN·m,均小于预估模型中的预估理论极限峰值,通过计算得出算例的伺服电机选型预估功率为77 W,算例结果证明了所建立的驱动参数峰值预估模型的合理性。     

绳驱准连续型机械臂的动力学研究

针对一种具有17个自由度的准连续型机械臂开展动力学研究,利用牛顿欧拉法建立动力学模型,并借助Matlab对机械臂进行动力学仿真,得到机械臂运动过程中,每个关节转动所需要的力矩,进而将力矩转换为驱动绳拉力.同时,针对关节力矩与驱动绳拉力之间的转换,优化了最优化模型中的目标函数,采用置信域算法解决了驱动绳拉力值曲线不光滑的...     

变电站巡检机器人结构设计与分析

针对机器代替人在变电站巡检的发展需求,设计一款带云台升降功能的巡检机器人,代替人工对变电站 进行日常巡检。介绍机械结构设计、控制系统搭建,建立机器人运动学和动力学模型,运用Matlab 进行稳定性仿真 分析,将实验得到的各行走电机驱动力矩与仿真得到的各行走电机驱动力矩进行对比。结果表明：该设计模型正确、 样机稳定,可为巡检机器人在执行巡检任务过程中在不同行驶坡度下控制升降杆高度和行驶加速度提供理论依据。     

基于Kane方法的波浪驱动水下航行器动力学模型建立

基于多体系统动力学理论,定义并选取适当的坐标系和广义坐标,对波浪驱动水下航行器多体系统进行运动学分析,得到各部分的速度和加速度;基于Kane方法进行动力学分析,计算各部分的偏速度和偏角速度,进而求得系统的广义主动力和广义惯性力。将系统的广义惯性力和广义主动力代入Kane方程中,得到波浪驱动水下航行器多体系统动力学模型。在受力分析中,不仅考虑了惯性力、惯性力矩、重力和浮力以及流体动力,还重点分析了波浪力和多体系统的附加质量力。对波浪驱动水下航行器进行了运动仿真,仿真结果显示航行器航行稳定,所建立的模型是有效的。     

制导炮弹可控滚转执行机构模型分析

为解决可控滚转电动舵机在低旋尾翼弹上的应用,以舵体为研究对象,分析了作用在舵体上的力矩,建立了系统动力学模型; 在分析舵机结构的基础上建立了舵机机构的的动力学模型和系统动力学模型。在不同的工况条件下对系统模型进行了分析和验证,分析结果验证了系统动力学模型的正确性。仿真结果表明,该舵机降低了伺服电机功率及响应速度的要求,提高了舵面效率,为在低旋制导炮弹上的应用提供了一种新的解决方案及理论参考。     

弹射装置的数理建模和动力学分析

概述了弹射装置的组成、结构及其工作过程,将其物理模型进行简化,以气压传动动力学、机构动力学和流体力学为理论基础,建立了描述高压氮气驱动下弹射装置运动的数字仿真模型。求得了弹射装置的动特性参数随时间的变化规律,对导弹俯仰角,俯仰角速度的控制原理和方法进行了研究,并分析了氮气作动筒、弹射连杆机构、导弹的结构参数、气源压力对导弹分离参数和分离姿态的影响。     

轮毂电机驱动车辆双重转向直接横摆力矩控制

针对某型8轮轮毂电机驱动车辆,设计一种基于直接横摆力矩控制的双重转向控制方法,建立车辆双轨2自由度动力学模型,研究包含滑移转向工况的车辆参考模型,并对滑移转向比采用基于车速与路面附着条件的模糊调节。为平衡横摆角速度控制与质心侧偏角限制之间的矛盾,在控制模型中,以横摆角速度作为直接控制变量,以质心侧偏角作为约束量,采用滑模变结构控制算法计算期望的横摆力矩,横摆力矩分配过程中采用预分配与驱动防滑控制相结合的分配策略。利用硬件在环实时仿真平台对所提出的双重转向控制算法进行分析验证,仿真结果表明：采用双重转向控制,能有效提高车辆转向的机动灵活性和操纵稳定性,对于提高轮式装甲车辆战场生存能力具有重要意义。     

用于四足机器人的并联弹性腿足关节设计与优化

为了提升四足机器人腿足的运动性能，设计一种具有并联弹性驱动器(Parallel Elastic Actuator, PEA)的腿足关节，通过模仿四足动物的肌腱作用原理，将拉簧并联在小腿连杆和大腿连杆之间，在膝关节处实现了并联弹性驱动，具有尺寸小、质量和惯量低的特点。建立了PEA膝关节的动力学模型，并借助该模型，在预设跟踪任务轨迹下，综合考虑峰值力矩、峰值功率和能量利用率，对拉簧的刚度系数进行多目标优化，得到全局最优的拉簧刚度为5 510 N/m。为了对比本PEA关节与电机直驱关节的性能，从仿真和实验两个方面进行验证。利用Gazebo机器人仿真环境，使用带有刚度的滑动副来实现PEA拉簧的效果，通过物理引擎模拟获取关节电机的输出力矩、输出功率、机械能耗；搭建PEA膝关节实验平台开展样机实验，获取膝关节电机的电源输入参数，如输入电流、输入功率、电源能耗。实验结果表明：PEA对比电机直驱关节，在0.5～2.0 s的轨迹周期下，电机输出方面可以减少峰值力矩40%～79%、峰值功率52%～89%和机械能损耗40%～89%,电机输入方面可以减少峰值电流46%～77%、峰值电功率43%～76%和电能损...     

基于仿生水母机器人的机械臂设计与仿真分析

为满足海洋探索及水下侦察的任务需求,设计一种多自由度仿生水母机器人。在Matlab 分析软件中利用 Robotic Toolbox 建立水母机械臂模型,进行运动仿真,分析其运动学和动力学,得出角速度、角加速度等曲线。依 据反推出的力矩曲线,对导入到Adams 中的3 维模型进行驱动仿真,采用Jtraj 函数对四自由度仿生水母机器人的机 械臂进行5 次多项式轨迹规划,并构建一个简单的BP 神经网络控制算法。仿真结果表明：各运动曲线连续、平缓 无突变,可满足实际需求。     

极坐标两轴稳定平台的模型与分析

稳定平台系统可以提供导弹与目标之间的相对位置关系,为导弹姿态和弹道的修正提供依据,在导弹系统中具有十分重要作用.本文通过坐标变换将弹体运动分别在外框坐标系和内框坐标系中描述,得到两轴框架的运动学关系,基于刚体定点运动欧拉动力学原理.建立极坐标速率陀螺式两轴稳定平台的动力学模型,针对两轴框架的驱动电机,进一步建立包含电机电流环和力矩环的机电模型.最后结合实际数据,利用所建的机电模型对弹体运动耦合产生的扰动进行了仿真分析,仿真表明:弹体运动对视线角速度具有扰动作用,需要进行速度回路控制进行解耦补偿.所得模型和分析结果为极坐标稳定平台的进一步研究提供了理论基础.     

角位移增大连杆轴向预压缩驱动器静、动态特性仿真分析

为了进一步增大压电双晶片驱动器的输出角位移,基于轴向预压缩增大压电双晶片输出转角和力矩的方法,提出一种带有连杆机构的压电双晶片驱动器。对驱动器建立了端部带有扭簧的静力学数值模型,以及端部带有微小舵面的刚柔耦合拉格朗日动力学方程及有限元模型。所得的数值结果和有限元结果总体符合程度较好,静力学结果表明：带有连杆机构的轴向预压缩（PBP）驱动器较原PBP驱动器输出角位移增大了4倍以上,最大输出转角可达到26.3°,而输出转矩随之缩小。动力学结果给出了驱动器机构内部能量的传输及分配特性,以文中舵面作为驱动对象,驱动器平均输出角速度达到2 000°/s,控制带宽达到30 Hz,明显优于普通伺服舵机。该角位移增大PBP驱动器的设计和仿真研究可为以大位移、小输出力矩、高控制带宽为特征的微小型飞行器舵机的研制提供理论参考依据。     

链式回转弹仓系统振动特性分析

为研究链式回转弹仓系统振动特性,根据弹仓刚体动力学方程,推导出主动链轮角位移解析解的近似表达式,在此基础上考虑弹筒侧壁的柔性,建立炮弹和弹筒碰撞模型,将板簧刚度及其安装位置作为设计变量,分析炮弹在运弹过程中的姿态扰动,进一步考虑连发射击条件下载弹量减小对弹仓运动规律的影响,得到电机驱动力矩的修正方法,并结合数值仿真结果验证方法的有效性。研究表明:利用拉普拉斯变换方法可以快速求解链轮转动角位移和角速度变化规律;仅考虑炮弹滑移的情况下,增大板簧刚度以及降低板簧的安装位置有利于控制炮弹晃动位移幅值;通过修正电机的驱动力矩,可以减小弹仓交接弹药的时间误差和炮弹在弹筒内的位置误差。研究结果对于弹仓系统的精细化设计具有应用价值。     

船载转塔装置随动系统动力学建模与仿真

为定量分析船载转塔装置（STE）随动控制过程中随动力矩的影响因素,应用坐标变换原理和拉格朗日动力学方程,建立了STE随动系统运动学和动力学模型。针对不同摇摆角和目标运动状态,对STE随动过程进行动力学仿真,定量分析了摇摆角及目标运动对随动力矩的影响。仿真结果表明：随着摇摆角幅值和周期的变化,随动力矩呈现线性变化趋势,且周期的影响更加明显;摇摆角幅值每增加1°,方位轴、俯仰轴随动力矩分别增加约12%、2%;周期每增加1 s,方位轴、俯仰轴随动力矩分别减小约28%和6%。摇摆角之间的相位间隔对随动力矩的影响具有复杂性,需要对不同相位区间进行分析。相对于静止状态,目标运动会引起随动力矩的增大,且加速度对随动力矩的影响更加明显。     

基于Stribeck模型的舰炮伺服系统摩擦力矩补偿

舰炮伺服系统中,摩擦和间隙等非线性因素是提高系统性能的主要障碍。为了提高系统的低速平稳性和控制精度,对基于Stribeck模型的舰炮伺服系统进行摩擦力矩补偿研究。分析研究摩擦特性对舰炮伺服系统低速性能的影响,在Matlab/Simulink环境下搭建伺服系统模型,选择Stribeck摩擦模型对伺服控制系统进行摩擦补偿试验,并与不含摩擦的理想系统进行仿真对比。仿真结果表明,Stribeck摩擦模型可以较好地描述出摩擦环节对舰炮伺服系统的影响,验证了理论分析的正确性,为控制系统的工程设计提供了依据。     

火箭发动机喷管伺服机构负载模拟系统设计与实验

针对火箭发动机喷管伺服机构的半物理仿真需要,设计一种可对惯性负载、摩擦力矩负载、弹性力矩负载、伺服机构安装刚度进行模拟的电液负载模拟系统。依据伺服机构负载特点,由机械的方式实现惯性负载、摩擦负载以及安装刚度的模拟,由阀控伺服马达实现弹性力矩的模拟;分别建立伺服机构系统和马达加载系统的数学模型,并为马达加载系统设计基于速度前馈补偿和力矩前馈的控制系统;进行负载模拟器的现场实验,实验结果表明,各种加载负载满足精度要求,验证了负载模拟器设计的合理性和实用性,以及控制策略的有效性。     

基于独立电驱动履带车辆的地面参量估计方法研究

以独立电驱动履带车辆的大量试验数据为依托,提出一种基于驱动力统计学预测模型与车辆动力学模型相结合的算法,对道路阻力系数与转向阻力系数进行估计。根据过零航向角偏差点对车辆的行驶路径进行分割,并利用高斯混合模型对各路径段进行多元聚类,利用连续3个路径段的聚类标签表征运动基元的类型;以基元类型为依据实现数据的分组,利用高斯混合模型构建驱动力统计学预测模型。在进行地面参量估计时,当确定运动基元类型后,通过调用对应的驱动力统计学预测模型,利用高斯混合回归对两侧主动轮转矩进行预测。利用非线性最小二乘法,使得基于驱动力统计学预测模型得到的转矩预测值与基于动力学方程表征的转矩理论值误差最小,从而获得地面参量估计值。对实车采集到的数据进行处理,得到地面参量的测试值并与估计值进行对比,证明了该方法可以在使用较少传感器前提下,保证预测结果的精度与整体算法的效率。     

电传动履带车辆感应电机驱动系统建模与性能预测

详细分析了某电传动履带车辆用100/150 kW三相交流感应电机转子磁场定向矢量控制原理,推导了数学模型并在此基础上利用Matlab/Simulink对感应电机驱动系统进行了建模与仿真分析。通过感应电机驱动系统实际台架试验对整个电机以及驱动系统的特性进行了详细的分析和评价。仿真与台架试验结果表明,所建立的模型正确,整个驱动控制系统具有额定转速之下恒转矩、额定转速之上恒功率、较宽的调速范围、良好的动态特性等特点。为了进一步评价此大功率感应电机驱动系统在电传动履带车辆上的实际应用,运用基于Matlab/Simulink种多体动力学分析软件RecurDyn的接口技术进行协同仿真研究,以0～32 km/h的加速性能和车速v=10 km／h、转向半径R=B的转向性能为例,对整车性能进行了预测。     

轮式装甲车辆电驱动轮机电耦合动力学建模与振动特性

为获取轮式装甲车辆电驱动轮机电动力学特性,提出考虑轮毂电机和行星齿轮机构耦合影响的动力学建模与分析方法。基于轮毂电机空间电磁力模型,计算得到电机径向力、切向力和转矩脉动,作为电驱动轮机械系统动态激励;建立考虑柔性壳体的行星齿轮机构动力学模型,实现了轮毂电机及行星齿轮机构机电耦合动力学仿真。结果表明：轮式装甲车辆电驱动轮低阶模态主要是全局模态,高阶模态主要是行星传动系统的局部模态;对于系统振动响应,在低转速区电磁激励的高阶次占主因,而在高转速区低阶次激励占主因。     

基于PROFINET 总线的高精度安全型火工品压药控制系统

为解决传统火工品压药控制技术难以实时限制压药压力的问题,设计一种基于PROFINET 总线的伺服压 药控制系统,通过PROFINET 总线将压机伺服电机力矩实时反馈回控制系统。控制系统在压药过程中通过伺服驱动 器对伺服电机输出的力矩进行实时限制控制,并对伺服驱动器反馈回来的力矩和输出力矩限制值进行对比,判断是 否触发力矩超限报警并停止压药。结果表明,该系统能极大提升压药精度和压药过程的安全性。