模块化桁架机构动力源的设计和优化方法

模块化桁架机构其动力源系统由于需兼顾多自由度、最简原则、可扩展性和空间环境,需要在应用中进行优化设计。本文针对一种模块化的多自由度空间可展开桁架机构,分析了模块化机构特性,包括单模块机构自由度和多模块机构组合特性,具体介绍了动力源的设计过程和优化方法,基于动力学虚拟样机技术进行了有源动力源与无源动力源的参数匹配性优化设计,提高了模块化机构的展开动力学特性和稳定性,降低了对主动动力源的功率需求。     

基于正四棱台Bricard单元的双环可展开天线机构构型设计

单环桁架式可展开天线的结构刚度随口径增大而降低的特点制约了其大型化,提出一种基于空间过约束正四棱台Bricard机构单元的双环可展开天线机构设计方法。首先,由等腰梯形面对称Bricard机构综合出展开构型与正四棱台几何体具有相同几何约束的正四棱台机构。而后,以始终存在一组正交对称面为约束条件推导出正四棱台Bricard机构的扭角约束关系,满足该约束的正四棱台机构自由度为1、可束状收拢。最后,由正四棱台机构构建出5 m口径的双环桁架式可展开天线机构。为双环桁架式可展开天线机构设计提供了过约束机构方案,提高了桁架的利用率,有助于面对称Bricard机构的广泛工程应用。     

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。     

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。     

基于扩展Assur杆组的变胞机构组成原理

提出一种模块化构造变胞机构的新方法,系统研究变胞机构结构组成问题。该方法即基于Assur杆组构造自由度为1的扩展的Assur杆组,应用Assur杆组法构造平面单自由度机构的规则,构造多自由度平面变胞机构。基于Assur杆组构建自由度为1的扩展Assur杆组,给出基于扩展Assur杆组的变胞机构组成原理、自由度的计算、具有确定运动的构型等基本问题。根据变胞后的蜕化的等效Assur杆组,研究扩展Assur杆组的运动变换特征,为变胞机构的结构综合提供依据。基于扩展杆组的概念,构造几种典型的空间1自由度变胞杆组,并对空间变胞机构的结构组成原理进行探索。实例表明,就像用Assur杆组构造普通机构一样,平面和空间变胞机构都能用所给出的自由度为1的模块构造而成,实现了系统的设计变胞机构。     

一种变胞机构--魔术花球的自由度分析

介绍了一种常以手工艺品形式出现的可高度展开、折叠的变胞机构。通过去除不影响机构自由度的运动子链,进行了机构的结构分解,得到了空间并联四分支及三分支机构等基本运动链。运用旋量理论对各运动子链进行了虚约束和公共约束的判定,计算了它们的自由度。基于对魔球机构结构分解和虚约束的系统分析,提出了魔球机构自由度分析的理论基础,得到了其自由度及特点。应用回路连接矩阵对结果进行了验证。     

软顶篷折叠机构优化设计

根据某型软顶敞篷车顶篷的运动功能要求,设计出一种三截式八杆折叠机构,对该机构进行了尺寸综合,推导了满足展开和收折位置的折叠机构数学模型,从而实现机构的参数化设计与分析。在此基础上,以折叠机构占用行李箱空间最小化为目标,建立了顶篷折叠机构的优化模型,采用模拟退火法进行优化求解,得到了机构的最佳尺寸。最后建立了顶篷折叠机构的三维模型,并进行运动仿真分析,验证了机构的合理性。     

6-UPRRU S折叠式并联机构及其动力学模型

提出一种6-UPRRU S折叠式六自由度并联机构来实时调整卫星相机的位姿以保证相机的成像质量。机构由6个分支组成,每个分支中包含一个由UPR和UR组成的五杆闭环子链,驱动副为移动副。对机构的结构特点进行了分析,以此为基础分析了该机构的自由度,得到了机构运动学反解。利用旋量速度、加速度及闭环子链的运动特性求解广义关节的速度、加速度,建立机构分支中各个杆件的运动学模型。基于虚功原理和机构的运动学模型,利用旋量表示的牛顿-欧拉公式建立该机构的动力学模型。分析了折叠机构的关键结构参数对机构的运动学、动力学性能的影响,采用动力学仿真软件验证了理论模型,为机构在空间相机的位姿调整、跟踪中的应用提供了理论依据。     

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。     

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。     

多自由度空间机构模块化关节研究

针对常规空间机器人及多自由度空间机构设计方法的不足,采用模块化设计思想,设计出集电机驱动、减速和传感等功能于一体的多自由度空间机构模块化关节,满足空间机构的轻质化、小型化、维护性及空间环境适应性设计要求。     

模块化可展天线机构展开动力学建模与运动规划

模块化可展开天线具有拓展灵活、通用性好、适应性强等特点，是满足未来天线大口径发展趋势的一种新型航天装备。为掌握模块化可展开天线展开过程的动态特性，提出一种六棱柱模块化可展开天线机构展开动力学建模及运动规划方法。首先，阐述了六棱柱模块化可展开天线的结构组成及展开原理，建立了天线机构数值仿真模型，研制了单模块原理样机，并验证了原理方案的正确性；其次，基于多刚体系统动力学Lagrange方法，建立了天线机构在展开过程的动力学模型，得到了缓释电机驱动力随展开时间的变化规律；最后，开展天线机构展开过程运动规划，建立了天线机构S型运动速度曲线模型。研究结果表明：运动规划减小了天线展开过程始末的速度突变，提高了天线展开过程的平稳性，为该构型天线的展开试验及工程应用提供了一种可供参考的速度控制方案。     

被动输入过约束四面体可展天线机构动力学分析

建立了一种由3RR-3RRR四面体单元组成的被动输入过约束可展天线机构的动力学模型,分析了驱动元件(扭簧)的数量、刚度、初始压缩量对机构展开运动的影响。基于3RR-3RRR四面体单元组成的可展机构的结构特点和空间坐标变换关系建立了机构展开/收拢过程中各构件质心位置与机构展开角之间的关系,得到了各构件的速度解析表达式。根据机构自由度性质,将机构展开/收拢过程中构件的运动分为平移运动、定轴转动、平面运动和复合运动四类。为便于建立3RR-3RRR四面体单元组成的被动输入过约束可展机构的动力学模型,进一步将构件的复合运动分解为平面运动和沿该平面法线方向的平移运动。基于拉格朗日法建立了单元可展机构3RR-3RRR和组合可展机构3(3RR-3RRR)-3RRR-3RRR的动力学模型,得到了机构中扭簧刚度与机构展开角之间的表达式,并讨论了扭簧刚度和数量对机构展开运动的影响。基于ADAMS仿真软件建立了3(3RR-3RRR)-3RRR-3RRR被动输入过约束可展机构的仿真模型,通过添加不同数量、不同刚度的扭簧对机构进行了动力学仿真分析,并讨论了扭簧初始压缩量对机构展开运动的影响,仿真结果验证了理论分析...     

空间铰链用卷尺弹簧弯曲过程的有限元分析

卷尺弹簧铰链以其质量轻、展开可靠性高以及自动锁定等诸多优点在空间展开机构中得到日益广泛的应用.文中以单根卷尺弹簧为例,研究了弹簧正向折叠和反向折叠的弯曲过程,分析了厚度和横截面圆心角对应变能和稳态弯矩的影响规律.其次研究了展开过程中的弯矩变化,定义了冲击比.最后讨论了正反折叠情况下厚度和截面圆心角对冲击比的影响.     

基于ADAMS的快装塔式起重机起重臂折叠机构设计及仿真分析

为了解决运输时快装塔式起重机折叠高度过高的问题,设计了一种起重臂间的折叠机构,并根据起重臂截面尺寸,对机构的销轴位置作初步计算和定位。为验证该机构的可行性,利用三维建模软件Pro/E建立起重臂折叠机构的三维模型,导入多体动力学软件ADAMS中,根据折叠机构的工作原理添加约束副和驱动函数,建立折叠机构虚拟样机模型,对其进行运动学仿真分析。仿真结果证明,设计的机构能够满足起重臂从折叠到展开过程中的位移、速度和加速度等运动要求,故该机构是正确可行的,通过对运动特性的研究为折叠机构的结构优化提供依据。     

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。     

基于螺旋理论对4-UPU并联机构的自由度及运动分析

在并联机构的分析研究中,应用螺旋理论做空间机构的一些分析是较为简便的,它是诸种常用的数学方法中较好的一种,是以线性代数及几何数学为数学基础展开的。本文采用螺旋理论中的运动螺旋及力螺旋分别表示并联机构的自由度和约束,并利用其互逆定理,对少自由度的4-UPU并联机构进行约束和自由度分析,并求解出了该机构的自由度。最后通过实体模型的仿真运动分析,验证了该方法的准确性、可用性和通用性。     

折叠式电动车折叠机构方案设计及尺寸优化

根据折叠式电动车的功能要求,设计出一种折叠机构,并对折叠机构进行尺寸优化.根据折叠式电动车展开和折叠两种状态的要求设计出一种六杆机构,对该机构进行尺寸综合,分别建立展开和折叠两种状态下的数学模型.建立优化模型并确定设计参数,以折叠后尺寸最小和整车最轻便为目标建立优化模型的目标函数,根据功能和面向用户的人机工程、整车刚度等要求建立约束条件,采用MATLAB中的多目标优化算法,计算得到最优结果.建立优化后的折叠机构的三维模型,在插件Motion中进行运动仿真,验证了机构的合理性.     

65m射电望远镜副面调整机构容错策略与工作空间边界识别

为使65m射电望远镜的Stewart型调整机构在发生单分支驱动故障时仍能正常工作,利用螺旋理论分析了故障时的机构自由度。根据机构自由度数大于任务自由度数的特点,提出了基于冗余自由度来实现机构容错运动的原理,计算并分析了L波段或S波段指向发生故障后机构的工作空间。提出了不规则工作空间边界的数字识别方法,实现了不规则工作空间边界对机构运动范围的约束。实验结果表明,利用该容错原理可实现单分支驱动故障时副面指向的调整。     

一种两自由度并联机床平台机构及其运动学分析

提出了一种新型的两杆两自由度并联机床机构 ,介绍了其机构的组成 ,推导了运动学正反解计算公式 ,并给出了雅可比矩阵及其工作空间的分析。为两自由度的平面加工设备提供了设计和控制的理论依据。