基于等效模型的索牵引并联机器人的刚度分析

现有索牵引并联机器人研究中,由于柔索长度较短大多将其处理成仅能受拉的直线索单元,没有考虑柔索垂度的影响,刚度分析过程与刚性支腿并联机器人相同.为考虑垂度影响,该文采用悬链线方程建立了大跨度柔索的静力学模型,推导出柔索的刚度矩阵.然后提出了一种刚度等效模型,将柔索等效为三根两两相互垂直的弹簧.于是便可将索牵引并联机器人等...     

高速柔索牵引摄像机器人动力工作空间研究

首先,提出了一种基于最小二范数的高速柔索牵引摄像机器人的索力快速优化算法;其次,基于集合理论得到了动力工作空间的一致求解策略;进而,仿真计算了给定结构参数下的机器人动力工作空间,并结合机器人沿工作空间顶面特定曲线运行时索长及索力的变化规律,对工作空间顶面形成的原因进行了分析;最后,借助工作空间底面剖视图研究了机器人工作空间底面的可达区域与支撑杆高度的影响关系,得出合理选取支撑杆高度的依据。     

索牵引并联机器人中变长度柔索的动力学分析

现有索牵引并联机器人研究中大多将柔索处理成简单的索杆单元,没有充分考虑柔索的动力学特性对末端执行器定位精度的影响。为此,本文提出了一种柔索长度慢速变化时的索牵引并联机器人动力学模型。文中首先推导了描述变长度柔索动力学特性的偏微分方程,空间离散化后采用有限差分法将其转换成普通微分方程。然后,根据末端执行器与柔索之间的动力耦合关系,得出索牵引并联机器人的动力学模型,模型中同时包含有柔索和末端执行器的自由度。最后,给出两个算例来验证本文模型的有效性,同时说明工作空间巨大时考虑柔索动态特性的必要性。     

基于静力学分析的运动副摆放位置对并联机构的影响

目的 分析芯片封装 “两转一移” 柔性并联机构3-SPR和3-RPS的运动特性和静力学特性, 并比较优劣。方法 运用螺旋理论对运动副不同分布的3-SPR和3-RPS机构进行运动学分析, 并运用螺旋分析法求解机构的等效约束力及驱动力, 得出在外载荷下机构的等效平衡方程; 通过Matlab软件编程进行理论计算, 运用SolidWorks软件进行建模及Adams静力学仿真, 以验证理论计算的正确性, 并运用有限元分析软件进行仿真验证。结果 运动副摆放位置不同, 其约束力对3-SPR和3-RPS机构产生的影响也不同, 3-SPR并联机构的约束力作用于定平台, 相对于3-RPS并联机构的约束力作用于动平台, 其约束力所产生的扰动更小, 支链的变形更小。结论 3-SPR机构具有更好的稳定性, 在芯片封装、 压印等高精度包装工程应用中可满足更高的精度要求, 为柔性机构的研究提供了理论参考。     

一种并联机构运动副摆放位置不同的静力学分析

目的运用螺旋理论在Matlab平台上对一种封装并联机构2-RPU/SPR,以及因其运动副摆放位置不同衍生出的3种两转一移并联机构2-UPR/SPR,2-UPR/RPS和2-RPU/RPS的静力学特性进行分析,并比较它们的优劣性。方法文中采用螺旋理论法对4种并联机构建立静力学数学模型,进而运用Matlab编程软件建立4个机构的程序模型,在Matlab中分2种情况对4个机构进行静力学分析。结果机构2-RPU/SPR的驱动力与其他3个机构相比相对较小;机构2-RPU/SPR的等效约束力和驱动力与其他3个机构相比变化波动较小。在动平台输出相同的情况下,机构2-RPU/SPR易于控制与驱动,灵活性高于其他3个机构;在动平台位姿相同的情况下,机构2-RPU/SPR抗外界干扰的能力优于其他3个机构。结论并联机构2-RPU/SPR比另外3个并联机构更好,在高精度包装工程中更具有实际应用前景。     

柔索分析的“悬链段”方法研究

本文介绍了基于“悬链段”概念分析索形结构问题的非线性计算方法,适用于任意垂度的索道工程设计。推导了在沿索均布载及单集中力作用下,支点不等高柔索的超越方程(组)并给出了相应的算例。分析结果表明,本方法精度高于其它近似法,可以正确揭示柔索的实际受力及变形性能。     

一种柔索并联机器人的动力学建模与主动控制

柔索并联机器人采用柔索代替连杆作为机器人的驱动元件，它结合了并联结构和柔索驱动的优点。500m口径大射电望远镜（FAST）粗调系统是通过六根索长的协调变化使馈源舱作跟踪射电源的六自由度运动，其工作特点类似并联机器人，因此也被看作柔索并联机器人。基于FAST5m缩比实验模型，首先进行了逆运动学分析；其次，采用拉格朗日方程建立了柔索并联机器人的逆动力学模型；最后，针对结构特点模拟作用在馈源舱上的随机风荷，设计了用模糊控制器自动调整免疫系统反馈规律的免疫PID控制器来控制馈源轨迹跟踪的风振响应。数值结果验证了该主动控制策略能够有效衰减风荷振动，从而提高了馈源轨迹跟踪精度。     

冗余驱动2SPR-2RPU并联机构的运动静力学 及奇异性研究

针对打磨、抛光等重载机器人的应用需求,提出了一种新型冗余驱动2SPR-2RPU并联机构。运用螺旋理论计算了2SPR-2RPU并联机构的自由度,并求解了其运动学逆解与速度雅克比矩阵。全面考虑2SPR-2RPU并联机构自身重力因素,利用拆杆法对该机构进行静力学分析,并建立了其静力学模型。针对机构驱动冗余的特点,运用拉格朗日乘数法,以驱动力最小为目标构造函数,对驱动力进行分配求解,获得2SPR-2RPU并联机构在给定运动轨迹下的驱动力变化趋势。根据速度雅克比矩阵对2SPR-2RPU并联机构的奇异性进行分析,结果表明该机构没有运动学正解奇异和运动学反解奇异,但具有2个运动学混合奇异,且2个混合奇异位形可通过合理设计机构杆件尺寸进行规避。研究结果可为实际工程应用中冗余驱动并联机构的研究提供一定的理论基础。     

4-1型柔索驱动并联机器人稳定性度量及其灵敏度分析EI北大核心CSCD

4-1型柔索驱动并联机器人性能优越具有较好的应用潜力,但评价并保证机器人末端执行器的稳定性任务艰巨。为此,对4-1型柔索驱动并联机器人的稳定性度量方法进行研究,提出一种融合机器人末端执行器位置和约束力影响因子的稳定性度量方法及其指标;建立4-1型柔索驱动并联机器人稳定性灵敏度分析模型,探索并分析末端执行器位置和柔索驱动力等因素对机器人稳定性的影响程度,提出采用关联度研究和分析末端执行器位置及柔索驱动力等参数对机器人稳定性的影响程度。以4索驱动拣矸机器人为例,对所建立的稳定性度量模型及其敏感度分析模型进行仿真研究,得出了能够保证拣矸机器人末端抓斗满足预定稳定性要求的位置点集。稳定性敏感度研究结果表明:拣矸机器人稳定性对驱动力影响因素的敏感度较大,关联度为0.9387~0.9647;其次为位置影响因素,关联度为0.5439~0.7743。     

考虑柔索振动影响时索牵引并联机器人的动力学分析与控制

现有索牵引并联机器人研究中,大多没有考虑柔索振动对系统运行精度的影响。为此,本文提出了一种适用于慢速运动的索牵引并联机器人动力学模型,模型中将柔索的运动分解为稳态运动与小幅振动两部分。系统的期望运动可由柔索的稳态运动来实现,柔索偏离稳态位置的运动可由对应的小幅振动来描述。针对稳态运动和小幅振动分别设计了相应的控制器,稳态运动的控制器保证系统可按期望的轨迹运行,小幅振动的控制器则用来抑制柔索在运动过程中出现的振动,这种振动是不希望出现的。最后,给出了一个数值算例来验证本文动力学模型及控制算法的有效性。     

悬索结构的初始平衡构型分析

根据悬索悬链线解析表达式推导出悬索长度与索端拉力之间的关系,从而可对悬索进行精确的力学分析以提高求解精度。结合LT中索网主动反射面给出了一种以优化策略求解悬索结构初始平衡构型的方法,该方法以悬索长度为设计变量,引入相应的约束条件,可以解决已知几何形状与边界条件时索网的内力分布问题。数值算例中以单索为例给出了索网主动反射面分析的详细过程。     

FAST望远镜外环曲梁的结构方案优化分析

FAST望远镜的AB转轴机构相当于具有两个水平正交轴的万向节,用于调整馈源舱内设备的指向角。其外环(A环)曲梁跨度大,承载重,且要求轻质和高刚度。基于弯扭耦合的曲梁理论建立了A环结构的基本微分方程,给出了结构变形挠度与结构参数之间的关系。以结构总重量作为结构优化总目标,以不同倾角下曲梁跨中最大扰度及最大扰度差作为主要约束条件,应用信赖域法对实腹式箱梁和桁架式梁两种结构方案进行了优化计算,并对两种结构方案进行了比较。初步的优化结果表明桁架式梁结构方案具有更轻的结构重量。     

基于并行混沌和复合形法的桁架结构形状优化

针对多工况下受应力、位移和局部稳定性约束的桁架形状优化问题,提出了基于并行混沌优化算法和复合形法的混合优化算法。该算法综合利用了并行混沌的全局搜索能力,复合形法的快速局部搜索能力和混沌细搜索。首先,利用并行混沌优化算法快速搜索到全局最优解附近,然后应用改进复合形法以并行混沌的优化解为初始复形进行搜索,提高了最优解的搜索速度,最后应用混沌细搜索策略提高最优解的精度。两个典型数值算例验证了该混合优化方法对桁架形状优化问题的有效性和稳定性。     

巨型射电望远镜索网结构的优化分析与设计

500m口径射电望远镜(FAST)主要以短程线索网作为反射面支承结构。该文通过对三种短程线分型的索网进行对比分析,建议五轴对称分型方法作为优先选择索网分型方案。同时,该文的优化设计工作进一步减少了主索网与圈梁连接节点的种类及数量,并使索网能满足馈源仓检修升级功能。在此基础上,针对现有两种反射面单元自重情况,优化了索网截面和内力水平,讨论了下拉索节点位置精度对索网变位精度的影响,量化了索网变位过程中主索节点的侧偏量。     

基于Jacobi-Davidson算法的大规模模态分析并行计算研究

对Jacobi-Davidson（J-D）算法进行了改进和并行计算研究。通过添加谱变换、收缩和重启动等策略将J-D算法改造成了适应大规模模态分析的算法。利用改进后的算法和各种数值求解软件包,建立了一套基于PANDA框架的模态分析并行求解体系。基于该求解体系和并行机群,开展了某工程结构大规模模态分析并行可扩展性研究,测试规模从数十万自由度一直达到千万自由度,并行CPU核数达到128个;研究了改进后的J-D算法内层迭代步数、重启动向量个数等控制参数对外层迭代收敛速度的影响;获取了不同规模并行计算的加速比。研究结果表明,改进后的J-D算法完全适应千万自由度规模以上的模态分析,内存占用与规模之间呈线性增长趋势,在1 025万自由度规模模态分析仅占用39.4 GB内存;同时该算法具有优异的并行可扩展性,在128个CPU测试核内接近线性加速,并且测试规模越大,曲线越接近理想加速曲线,1 025万自由度规模在128核的并行效率达到88.1 %。     

基于GPU并行计算的地下结构非线性动力分析软件平台开发

为解决地下结构隐式非线性动力分析收敛性差和计算效率低的技术瓶颈,该文建立了基于GPU并行计算的地下结构显式动力分析软件平台。在此平台中提出并实现了一种混凝土弥散开裂模型;给出并实现了一种钢筋纤维与实体单元的耦合方法;基于等参元思想,提出了人工边界节点的单元从属面积的计算方法;为实现节点不协调情况下的土与结构相互作用分析,开发实现了一种实体单元间的两节点接触单元。利用该文开发的软件对日本大开地铁站进行了重力场分析、线性和非线性动力分析。将重力场和线性动力分析结果与ABAQUS分析结果进行了对比,结果表明该文软件计算结果与ABAQUS计算结果一致,且计算效率约为ABAQUS计算效率的5.68倍,验证了软件各模块的正确性和效率。另外,通过将非线性计算结果与灾害调查结果进行对比分析,验证了软件非线性分析的稳定性和合理性。     

基于主从式并行遗传算法的岩土力学参数反分析方法

考虑到遗传算法的天然并行性和集群计算的高速并行性,提出了基于主从式并行遗传算法的岩土力学参数反分析方法。采用实数编码方法,缩短了个体编码的长度,减少了搜索空间;采用动态任务分配方案,可以避免处理器效率的不均衡;采取"松耦合"的方法将主从式并行遗传算法与FLAC程序进行耦合。基于C+MPI语言编写了反分析程序,并用标准弹性问题对程序进行了测试。测试结果表明,主从式并行遗传算法不仅能够准确地对岩土力学参数进行反分析,而且随着问题规模的增大可以得到接近线性的加速比。因此,针对适应度评价计算量大的岩土工程反分析问题,采用基于主从式并行遗传算法的岩土力学参数反分析方法,既保证了反分析的求解精度,又提高了反分析速度,满足工程上对于反分析的及时性需求,具有较强的应用价值。     

基于空间轴承寿命预测的预紧力优化分析

以航天机构中的精密轴系为研究对象,构建了空间轴承寿命预测的数学模型,提出适宜于固体润滑轴承初始预紧力优化的方法,为其预紧力的设计和选择提供理论指导。基于滚动轴承的运动学、拟静力学和Archard磨损模型,综合考虑支撑刚度和润滑膜抗压极限强度要求,确定了预紧力的许用范围。以使用寿命最长为优化目标,优化了空间轴承71807C的初始预紧力。研究结果表明：空间轴承初始预紧力的选择范围为70 N~200 N;在磨损过程中,磨损深度和残余预紧力相互影响、相互作用;基于使用寿命最长的优化目标,优化得到156 N的初始预紧力为精密轴系组件的最优预紧力,并探究了不同预紧力下空间轴承的失效机理。     

基于敏感性分析的协方差随机子空间方法参数优化

在工作模态分析中,结构模态的准确识别在包括结构健康监测在内的许多应用中至关重要.该文基于敏感性分析,研究了模型系统阶数N和Toeplitz矩阵行块数i在协方差驱动随机子空间法(covariance-driven stochastic subspace identification,SSI-Cov)中对模态识别结果的影响...