空间折叠展开机构运动可靠性仿真研究状况及关键技术分析

基于空间折叠展开机构的应用背景,综述折叠展开机构运动可靠性及其仿真研究状况,分析其存在的关键问题和技术流程,确定空间折叠展开机构运动可靠性仿真分析的基本思路与方法。据此提出一种基于ADAMS/Insight的机构运动可靠性仿真分析方法,并以某折叠展开机构为对象进行了仿真验证,结果表明此折叠展开机构展开角位移可靠度为0.9972,满足其可靠性要求。     

花瓣式可展天线的结构分析

针对一种多刚体空间机构——花瓣式可展天线的花瓣数、每个花瓣的刚板数和结构参数的关系进行了分析研究。首先,根据空间机构自由度的计算公式,对不同情况下机构的自由度进行了计算,确定了每个花瓣的刚板数。然后,利用折叠状态下各刚板的几何关系,对各刚板的宽度进行了分析。最后,计算了该可展结构折叠状态时的体积,再利用各结构参数与体积的关系,分析比较后得到了可展结构的花瓣数。通过分析确定了花瓣式可展天线的多个结构参数。     

一种可折叠电动轮椅的设计

针对可折叠电动轮椅折叠效果不理想问题,运用并联机构设计一款可快速实现折叠与展开的新型电动轮椅。首先通过对市场上主流的两种折叠方式的分析进行可折叠电动轮椅的概念设计,并构思其总体方案,然后基于符号法对折叠机构进行数学建模,利用解析法并通过构建静力学和动力学方程组对折叠机构进行静力学和动力学分析,再结合人机工程学原理和力学分析结果,对折叠机构进行符号建模并进行力学综合,完成可折叠电动轮椅车基本尺寸的设计,根据力学分析的结果,利用MATLAB软件分析杆件尺寸对压力角、传动角和杆件作用力的影响,最后对轮椅车进行具体结构的设计。此电动轮椅不仅便于折叠与展开,而且折叠前后轮椅车的尺寸有明显变化,折叠效果较为理想。     

一种空间模块化桁架式展开机构及其运动过程分析

为设计一种折叠率高的新型空间桁架式展开机构并分析其运动过程,提出了由两个四棱锥对称布置组成的空间2自由度模块化可展单元。首先,阐述了空间桁架式展开机构的模块化组成原理。其次,根据机构顺利折叠条件推导了构件的几何协调方程。最后,根据展开过程的动作特征,将空间桁架式展开机构简化为平面机构并计算自由度,基于闭环矢量法对机构进行运动学分析。     

基于Monte Carlo法的改进型Delta并联机构运动可靠性分析

建立了改进型Delta并联机构的运动位置误差模型,模型不仅考虑构件几何误差,而且在机构动力学研究基础上考虑了的机构主动关节刚度和杆件弹性变形误差因素。结合MATLAB软件生成伪随机变量作为机构可靠性分析的随机抽样试验参数。当机构按某运动规则运动时,利用Monte Carlo法采用点评价方式,得到不同运动时刻机构的运动位置可靠度和机构末端误差的均值和方差。通过对不同误差模型可靠度数据对比,发现机构主动关节刚度和杆件弹性变形误差对机构可靠性的影响不可忽视。     

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。     

空间相机重复展收机构薄膜防护罩设计及分析

空间光学相机是高精度系统,其主镜由重复伸展机构支撑到位并实现系统成像.为了提高空间光学相机可重复展收机构的精度,基于Miura折纸原理提出薄膜防护罩折叠方法并进行了参数分析.采用NX/SST仿真软件分析了伸展机构有无防护罩包覆的温度场,研究了主镜安装面在不同温度梯度下的变形规律,利用伸展机构防护罩样机进行了伸展机构可重复展收实验.结果表明本文设计的可重复折展薄膜防护罩的展开角θA=120°时,结构已完成接近85％的展开,此时模型形状依然规整,验证了防护罩的随动重复展收功能.通过热分析发现,有防护罩时伸展机构最高温度为12℃,最低温度为3.5℃,与无防护罩相比,最高温度降低了22℃,最低温度提高了51.5℃,防护罩有效降低了伸展机构的温度梯度.实验结果表明,伸展机构在进行了10次重复展开试验后,在X方向重复精度平均值的绝对值为0.00216 mm,Y方向为0.00596 mm,Z方向为0.00348 mm.本文设计的伸展机构具有较高的重复展收精度,基于折纸原理设计的薄膜防护罩具有良好的可重复展收、遮光和热控效果,可以有效保证光学相机在空间环境的应用.     

六轮探测车多约束四边形悬架的仿马折展研究

通过分析马的形体变化,探讨马腿折叠的规律,并将其运用到六轮探测车悬架的折展研究中。以"索接纳"悬架为初始折叠构型,分析且保留其对崎岖地形的自适应性能,并提出四杆直线机构来增强其越障,尤其是翻越垂直台阶障碍的能力,形成一种多约束四边形组合悬架。对四杆直线机构进行建模分析,通过分析与车轮中心连接的杆件端点的运动轨迹,得到符合探测车尺寸约束条件的悬架各杆件尺寸,在此基础上得到悬架的折叠方案,可以实现探测车从工作状态的大体积到折叠状态小体积的变化,并且完全满足折叠比和在折叠状态下自由行驶的要求。针对折叠后的探测车,提出两种悬架展开方案,且分别对两种展开过程进行仿真分析,经过对相关参数比较分析后,选出一种使悬架具有优良展开性能的方案,使得探测车同时具有很好的折叠与展开性能。     

基于ADAMS的夹具定位误差分析方法

本文提出一种利用ADAMS软件进行夹具定位误差计算的方法。通过建立定位误差的等价连杆机构表示模型,工件—夹具系统的误差要素转化成等价机构的原动件,机构杆件的相对运动空间就是夹具的定位误差。采用蒙特卡罗模拟方法建立等价机构原动件随机运动位置序列,利用ADAMS软件进行等价机构建模,通过机构仿真分析获得目标构件运动位置样本。进行样本数据的统计分析,确定目标构件的位置变化概率数据,获得夹具定位误差概率分析结果。     

机器人机构精度综合的正交试验法

采用正交试验法综合机器人机构精度,只需要较少的计算仿真工作量就可分析出机器人定位误差,甚至不需要制造出具体的机器人物理样机。该试验方法可以缩短误差综合的计算过程,简化机器人误差综合。基于此,总结国内外有关机器人和空间机构精度研究,建立典型3R机器人的误差传递模型,利用正交设计表均衡排布各参数的误差水平,对各组试验结果进行方差分析,绘制某一复杂曲面任务下机器人末端的误差分布图和影响末端误差因素的显著程度顺序图。结果表明,正交试验法能够快速计算出当前目标点下误差因素对末端误差的影响显著程度,指导机器人精度设计和运动学参数的标定。     

多环闭链可展机构尺寸调整方法

由于存在加工误差等因素,可展机构各连杆实际加工长度与理论计算长度往往不同,需要在装配时对其调整。多环闭链可展机构具有闭环多、环约束互相耦合、参数关系复杂等特点。为解决在尺寸调整时存在的高非线性、强耦合等问题,以均方根形式定义多环闭链机构的综合调整量,并以调整结构势能最小作为目标函数,推导出多环闭链可展机构尺寸调整的基本数学模型。根据实际调整方式,提出单向调整和双向调整两种计算模型。在此基础上,对多构态下多环闭链可展机构的尺寸调整方法进行研究。通过算例对上述方法和模型进行验证。结果表明,利用该方法得到的调整结果能满足可展机构多构态、多约束、多种调整方式的要求。研究成果有助于降低多环闭链可展机构的装配和加工难度。     

二自由度平面冗余并联机构杆件长度的误差分析

为获得平面冗余并联机构各杆件长度尺寸误差关系,进行了机构的位置建模,优化了误差尺寸。并联机构参考固高GPM2012机器人,选取顺时针构型,利用2条驱动闭链,建立了该机构的输出点位置方程组和误差方程,运用泰勒公式展开,获得误差项,定义了杆件误差影响系数,同时遍历工作空间,获得各杆件误差影响系数分布图,指出在并联机构中,各杆件基本长度相同情况下,不同的误差尺寸对输出位置影响不同。最后,采用优化设计的方法,给出了多种情况下的杆件误差比例关系。     

杆长误差和运动副间隙对平面机构运动可靠性的影响分析

在考虑平面机构杆件误差和运动副间隙的基础上，建立了基于概率的平面机构运动模型，通过蒙特卡洛方法对曲柄滑块机构的运动可靠度进行分析，分析表明：在转动过程中，曲柄滑块机构的可靠性呈周期性变化；当仅考虑杆长误差的情况下，曲柄转角为(π/2,π)∪(π,3π/2)范围内出现最高失效概率；当仅考虑运动副间隙的情况下，曲柄转角为π/2和3π/2时失效概率最高；杆件误差和运动副间隙的共同作用将会导致机构可靠性快速降低。     

大型二维多折展开平面天线机构设计及动力学特性分析

随着空间对地观测范围和观测精度要求的不断提升,对大型平面可展开天线机构的需求越来越迫切.本文提出了一种全新的空间大型二维多折展开相控阵天线机构,对其进行了构型优选、结构设计及动力学特性分析.首先,建立了综合评价指标,优选出综合性能最优的天线整体构型方案.其次,对天线机构各部件进行了详细的结构设计,进行样机的研制与展开原理实验验证.最后,建立了天线机构的有限元模型,通过仿真得出了天线机构展开态前5阶振动频率及其对应的振型,并以系统频率变形比作为优化目标对各杆件截面参数进行优化.本文所设计的二维多折展开平面天线机构折展比达到17.6,提高了传统平面天线机构的折叠比;分子振动基频达到1.3339 Hz,实现了大型平面天线机构的高刚度支撑,为我国大型平面相控阵天线机构的研制提供了可行方案.     

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。     

基于D-H矩阵的Stewart型并联机床位姿误差计算模型

针对6自由度Stewart型并联机床,以D-H变换矩阵为建模工具,建立起包含铰座位姿参数、杆件D-H参数的机床动平台位姿方程.采用矩阵微分方法推导出一个机床位姿误差线性化计算模型.该模型不仅使铰座位姿参数误差、杆件D-H参数误差等几何误差全部进入机床位姿误差计算方程,而且将机床位姿误差与几何误差之间的非线性隐式函数关系简化为线性显式函数关系.基于支链杆长方程建立起一个能描述机床位姿误差与几何误差之间实际映射关系的非线性计算模型,以其作为参考模型对线性化计算模型的有效性进行检验.仿真表明:在小误差条件下,线性化模型可以很好地逼近非线性模型,由于具有形式简洁、分析与计算方便等特点,基于D-H变换矩阵的位姿误差线性化计算模型可用于Stewart型并联机床的精度分析、精度综合及运动学标定.仿真结果还表明:当对机床位姿精度要求较高时,需要考虑杆件的全部D-H参数误差对机床位姿的影响.     

基于正交设计的2UPS-RPU并联机构误差分析

运用空间矢量环微分法,建立了兼顾位置和姿态两类误差的位姿误差正解数学模型。此误差模型描述了机构末端位姿误差与各误差源之间的显式映射关系,可定量分析各误差源对机构输出误差的影响。分析了机构位姿参数、结构参数在一定范围内变化时的误差变化曲线,为机构结构参数和工作位姿参数范围的选取提供了理论依据。为分析2UPSRPU并联机构在整个工作空间内各误差源对位姿误差的影响,利用正交设计思想,只需较少的计算量,即可对该机构进行误差分析。基于正交设计思想,将4个位姿参数看成对位姿误差有影响的4个因素,依据位姿参数变化对位姿误差的影响合理划分各因素的水平,使排列的正交表为误差分析提供合理位姿。结合正交表,仿真了机构各末端输出误差对各个误差源的响应程度,从而揭示了影响机构误差的关键因素,可用于指导物理样机的制造与安装。     

变杆长对曲柄滑块机构位移可靠性的影响分析

为分析杆长变化对滑块位移可靠性的影响,建立了包含杆长尺寸误差和运动副间隙因素下偏置曲柄滑块机构滑块位移可靠性的计算模型。对所建立的滑块位移可靠性计算模型的计算精度进行了仿真验证,结果表明其计算精度可满足工程设计要求。基于MATLAB软件的仿真得出滑块位移可靠性随着曲柄长度减小、连杆长度增加、偏距长度减小而提高。在运动副间隙为连续接触模型时,杆长变化对可靠性的提高比非连续接触模型时更显著。此研究结果对平面机构位移可靠性的提高具有一定的参考价值。     

可展收抛物柱面天线机构的设计及分析

可展收抛物柱面天线可用于卫星系统中,实现无线通信、深空探测以及空间目标搜索等功能。近年来随着航天事业的迅猛发展,对空间可展天线的成形精度要求越来越高。提出并设计了一种可展收抛物柱面天线机构,该机构主要由网面支撑机构、柔索、金属丝网、轴向驱动与锁定装置、径向驱动与定位锁定装置组成。其中,网面支撑机构包括径向和轴向展收机构。研究中提出了一种新型平面可展收机构作为径向展收机构的组成单元实现天线的径向展开收拢。对可展收机构的等效机构进行了优化设计。利用剪式单元可展机构实现了轴向展收机构的设计。完成了可展收抛物柱面天线机构的驱动组件设计,在Solidworks中完成建模,对天线机构进行了运动学仿真。     

可折叠双三角锥滚动机构

提出一种新概念的滚动机构,可通过折叠机构的变形,在展开状态下的双三角锥和折叠状态下的椭球体两种外部形态之间进行转换,并相应具有两种滚动模式。在双三角锥形态下,机构通过外形的变化实现滚动,并以偏心质量块驱动方式进行转向的控制;在椭球体形态下,机构运用偏心质量块驱动方式进行直线方向上的滚动。在机构设计上,折叠机构通过1个自由度实现了移动功能的同时减少了存放时所需的空间。通过自由度分析,机构需要三个驱动电动机来实现其所具有的功能。以运动学计算为基础分析双三角锥形态下的翻滚条件并规划滚动步态。建立仿真模型,验证该机构能够完成折叠/展开的动作,并能够按照步态规划进行滚动。制作一台样机,对其进行折叠/展开方式与滚动功能的可行性验证,实现了预期的结果。