索杆铰接式伸展臂动力学建模与分析

针对索杆铰接式伸展臂的结构特点,提出基于能量互等原理的伸展臂连续梁等效动力学模型的建模方法.推导出伸展臂桁架单元的应变能与动能关于节点位移、几何结构参数及材料参数的表达形式.基于伸展臂桁架与连续梁等效模型两者之间应变能、动能分别相等原理,建立伸展臂桁架结构与连续梁等效模型之间的几何结构参数与材料参数的联系式,推导出伸展臂连续梁等效模型的等效刚度矩阵和质量矩阵.运用提出的索杆铰接式伸展臂连续梁等效模型化方法计算出伸展臂原理样机的等效刚度和质量参数.分别运用连续梁等效模型和有限元模型对伸展臂的动力学特性进行分析,通过理论计算和仿真分析得到伸展臂前8阶固有频率.通过有限元仿真结果与伸展臂等效模型计算结果对比分析,验证伸展臂连续梁等效模型的正确性.通过对不同长度伸展臂各阶固有频率的对比,得出伸展臂连续梁等效模型对于分析大型索杆铰接式伸展臂动力学特性具有较高的精度.     

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。     

切口式单孔腹腔镜连续体手术机器人构型设计和优化

针对现有单孔腹腔镜柔性手术机器人刚度不足,负载能力较差及灵活度低等问题,提出了一种切口式连续体机器人机械臂构型设计方案。考虑柔性机器人工作刚度和灵活性难以同时提高这一瓶颈,结合分层理论(Layerwise theory, LWT)及拉格朗日乘子法对模型构造及尺寸参数进行优化。基于Ⅰ型裂纹模型和应力强度分析,对绳驱机器人的牵引线位限方式进行优化。利用切口式机器人切口间隙和连续体最大可弯曲角度θ的关系图以及有限元分析,提出了切口间距优化策略。通过样机测试验证了各优化方案的可行性和有效性。实验证明,优化后的实验机械臂样机在0.5 N的弯曲反向负载下末端偏移误差在0.5 mm内;在柔性体弯曲角90°的范围内,末端负载0.5 N的偏移量均值为0.27 mm。实验表明提出的优化夹层切口式机器人具有较大的刚度和负载能力,在实际手术场景应用中,柔性体末端受拉或负载器械时仍能够满足所需的姿态要求。     

一种新型2自由度微操作平台设计与试验

为了满足微操作平台结构紧凑、大运动行程、高固有频率、运动解耦和高运动精度的要求,设计了一种以杠杆柔性机构进行位移放大,以双复合平行四杆柔性机构为导向机构的新型二维微操作平台。采用伪刚体法和虚功原理建立了反映平台静刚度、位移放大率和固有频率的力学模型。制作样机并搭建了试验测试系统对平台性能进行测试,试验结果表明,平台位移放大率可达4.5倍,刚度为5.79 N/μm,固有频率为580 Hz,反映平台沿x和y方向的耦合度的指标分别为1.3‰和1.2‰,沿x和y轴方向的重复定位精度分别为0.68μm和0.72μm。所以,所设计的平台实现了设计目标。     

伸缩可控的杆状空间伸展机构研究

现存的大部分空间杆状伸展机构采用杆套杆式结构,其直径逐级递减,使得杆伸出长度受到限制,成形后的结构刚度不足,伸展收缩不可控,为此文中提出了一种伸缩可控的杆状空间伸展机构.该系统伸出杆采用螺旋管柱结构,杆伸展、收缩可控,杆的直径和刚度在伸展、收缩过程中不变.能带比较大的负载.控制伸出杆成形的机械系统结构简单、紧凑.以DSP TM320LF2407A为核心的BLDC数字控制系统实时性好,定位精度高.可用于低轨道卫星的重力梯度定位、展开天线及伸出臂,也可作为其它伸展机构的驱动臂来使用.     

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.     

空间可展开三棱柱伸展臂设计与优化

空间伸展臂作为空间折展机构中形式最丰富、研究最早、应用最广泛的一维空间折展机构,其主要作用是展开柔性太阳能帆板,支撑网状天线、合成孔径雷达、太空望远镜等。以三棱柱式伸展臂为研究对象,对伸展臂的展开方式和几何参数进行设计分析。基于几何非线性有限元理论,建立含空间桁架及预应力绳索的可展开伸展臂单元模型,然后建立含多可展开单元的大型伸展臂的几何非线性动力学模型。通过Matlab编程计算伸展臂的基频,得到影响伸展臂基频的关键因素,并以伸展臂的基频为优化目标,质量为约束条件,采用遗传算法对伸展臂进行优化设计。研制可展开三棱柱伸展臂样机,对伸展臂进行折展功能及参数优化设计验证试验。结果表明所设计的三棱柱伸展臂可顺利折展,所做的优化设计有效可行。通过该方法可以对特定任务需要的伸展臂进行优化设计,在满足约束条件的情况下,达到基频最高,对伸展臂的设计提供参考。     

核环境下探测机器人机械臂的结构分析与优化

为了提高核环境下探测机器人机械臂的负载能力,通过动力学分析机械臂关节特性确定优化目标,用有限元软件ANSYS对机械臂臂体危险工况分析并设计优化参数,采用Workbench目标驱动优化分析设计优化实验,对优化结果分析并选取合适的优化参数。优化设计使机械臂两个臂体质量分别减小28.3%和29.5%,分析表明优化设计对机械臂危险工况下静力特性影响很小,符合强度和刚度要求,依据优化方案制作出机械臂样机并测试机械臂负载性能,实验表明机械臂末端负载提高10%,优化后机械臂关节力矩得到改善。     

索杆式伸展臂分析与设计

提出索杆式伸展臂的原理模型,设计和制作了索杆式伸展臂的样机模型,并详细介绍了该类伸展臂的展开与收纳机理以及驱动系统、零重力装置等相关装置的技术要求。     

RV减速器扭转刚度计算

扭转刚度是影响机器人运动精度、定位精度和重复定位精度的重要参数之一,本文通过对RV减速器内部齿轮副啮合刚度和各类型轴承刚度理论计算,提出了建立两个RV减速器虚拟样机,即在齿轮传动专业软件Romax中建立虚拟样机1,计算出系统变形引起的扭转刚度K1;同时在通用仿真动力学软件中建立虚拟样机2,计算出RV减速器回滞曲线,通过回滞曲线计算出扭转刚度K2,采用弹簧串联原理,计算了RV减速器扭转刚度K并通过试验验证了此方法的正确性。     

齿轮-转子系统的振动特性分析

根据转子动力学和齿轮啮合的基本原理,建立了考虑陀螺力矩的齿轮转子系统的动力学模型,以此求得齿轮转子啮合刚度矩阵和阻尼矩阵。探讨了啮合刚度、支承刚度对系统固有频率以及系统稳定性的影响。结果表明齿轮的啮合刚度对弯曲振动以及弯扭耦合振动固有频率的影响不大,而当啮合刚度介于2×105~2×108之间时,对弯扭耦合振动的相对稳定性却有较大的影响;另增大支承刚度,固有频率相应提高;减小跨距可以提高系统的稳定性。分析结果对工程应用具有重要的意义。     

Design and Experiment of Triangular Prism Mast with Tape-Spring Hyperelastic Hinges

Because of the limited space of the launch rockets, deployable mechanisms are always used to solve the phenomenon. One dimensional deployable mast can deploy and support antenna, solar sail and space optical camera. Tape-spring hyperelastic hinges can be folded and extended into a rod like configuration. It utilizes the strain energy to realize self-deploying and drive the other structures. One kind of triangular prism mast with tape-spring hyperelastic hinges is proposed and developed. Stretching and compression stiffness theoretical model are established with considering the tape-spring hyperelastic hinges based on static theory. The finite element model of ten-module triangular prism mast is set up by ABAQUS with the tape-spring hyperelastic hinge and parameter study is performed to investigate the influence of thickness, section angle and radius. Two-module TPM is processed and tested the compression stiffness by the laser displacement sensor, deploying repeat accuracy by the high speed camera, modal shape and fundamental frequency at cantilever position by LMS multi-channel vibration test and analysis system, which are used to verify precision of the theoretical and finite element models of ten-module triangular prism mast with the tape-spring hyperelastic hinges. This research proposes an innovative one dimensional triangular prism with tape-spring hyperelastic hinge which has great application value to the space deployable mechanisms.     

大型柔性可展天线的频率优化和扰动响应预示

大型柔性可展开天线的高柔性、低阻尼特性给天线的稳定控制和卫星的姿态控制提出了严苛要求。结合某大型柔性可展开天线的研制,开展了大型柔性可展开天线的频率优化设计和扰动响应分析。对其中影响天线基频的两个重要因素——天线支撑结构刚度和扫描机构刚度进行了敏感性分析。在此基础上开展了天线模态频率仿真与试验,给出了天线在俯仰角度-10°～25°和方位角度-10°～10°组合工况下绕转动坐标系惯量、基频与扫描角度的对应关系。完成了天线在平台扰动激励下的响应分析,给出了扰动激励对天线反射器型面误差和指向偏差的影响。仿真结果显示,通过频率优化设计后的大型柔性可展开天线对卫星扰动激励不敏感,可以满足设计要求。     

临近空间光学遥感器热设计

为了保证光学遥感器在平流层空间热环境中安全可靠地工作,对工作在平流层内的光学遥感器进行了热分析。分析了运行在25 km以上空间的飞艇要经历的平流层的环境特点,包括平流层内的大气密度、温度分布等。建立了平流层光学遥感器的传热数学模型,分析了遥感器的迎风面、侧面和背风面在顺风飞行和逆风飞行情况下的对流情况,计算得到在逆风飞行和顺风飞行时迎风面、侧面、背风面的对流换热系数分别为5.009,8.259,3.33 W/(m2.K)和2.609,2.959,1.005 W/(m2.K)。最后,根据稳态换热平衡方程,利用热分析软件分析了光学遥感器在两种极端工况下的温度场分布。结果显示,采用热控措施后光学遥感器的轴向温差从15°减小到了2.7℃,飞艇与空气的对流换热系数随着它们之间的相对速度的增大而增大。结果表明,本文采用的热控手段可以减小遥感器的温差,这为进一步开展平流层光学遥感器的热分析奠定了基础。     

桁架式支撑臂模态分析与振动主动控制研究

建立了一维大型空间可展开桁架式支撑臂的动力学模型,计算了支撑臂各阶模态的频率和振型,以及在各阶模态下的杆件模态应变能。基于杆件模态应变能对压电陶瓷作动杆的位置进行了优化设计。基于独立模态空间方法运用二次型最优控制理论,对支撑臂进行振动主动控制研究。对含有主动构件的空间桁架式支撑臂的振动主动控制进行了仿真,比较了控制前后支撑臂振动幅值的变化。仿真结果表明,该控制策略具有较好的振动控制效果。     

同轴轻型空间遥感器支撑桁架的设计与试验

为满足空间遥感器的高度轻量化要求,提高其结构的基频,减少100 Hz以下低频振动的影响,研究了高比刚度的轻型支撑桁架结构。针对同轴长焦距光学系统,基于三角形稳定的原理设计了一种6杆碳纤维复合材料桁架结构,并基于有限元法完成了其优化设计,使其质量降低了11%。为验证其可行性,研制了力学模拟件,进行了工程分析和动力学试验,并讨论了分析和试验的误差来源。分析和试验显示,模拟件的固有频率超过了120 Hz,表明所设计的支撑桁架合理可行,能够满足长焦距空间遥感器的使用要求。该结构在质量为13 kg的前提下,解决了目前该型遥感器基频较低的难题,该设计已成功应用于某相机结构中。     

基于灵敏度分析的汽车动力传动系扭振特性优化

利用偏导数法分析得出汽车动力传动系无阻尼自由扭振固有频率和振型对转动惯量和扭转刚度的灵敏度。以某车型动力传动系扭振特性为例,通过分析固有频率和振型对转动惯量和扭转刚度的灵敏度,找出对固有频率和振型影响最灵敏的结构参数,对其进行动力学修改,实现传动系固有频率和振型的优化,从而减轻扭振的程度。研究成果可为汽车传动系的动态特性优化提供依据。     

一种剪式可展结构设计与动力学分析

针对机器人、空间结构等领域的应用,给出了一种三棱柱剪式可展结构的构型设计、传动方案设计及零部件详细设计。建立了考虑节点5个自由度的剪式铰单元有限元模型,对其刚度矩阵和质量矩阵进行了有效缩聚,减少了计算量;把剪式铰单元作为重复的子结构,建立了三棱柱剪式可展结构的有限元模型及其振动方程;在此基础上进行模态分析和仿真,得到前8阶固有频率及相应的振型曲线;并给出了三棱柱剪式可展结构的1阶固有频率随展开角的变化关系,为三棱柱剪式可展结构的优化设计和控制提供了依据。     

自驱动关节臂测量机结构设计与仿真分析

为了使自驱动关节臂测量机的结构满足测量和定位精度要求,通过分析自驱动关节臂测量机的工作原理,建立了测量机的运动传递模型,完成了测量和定位误差源分析,在此基础上对关键部件进行设计和选型。对测量机进行了整体结构设计和关节结构设计,得到最优设计方案,在此基础上推算出各个关节的重力矩及惯性矩,完成了各关节模组的选型。建立了测量机的三维虚拟样机,对虚拟样机的几种典型测量姿态进行了静力学和结构变形分析,根据仿真结果进行优化设计,使测量机在典型和极限测量姿态下的静态变形均符合设计要求。针对测量机测量过程的触测段进行动态变形仿真,仿真结果表明竖直(Y)方向动态变形误差较大,需要建立动静态误差补偿模型进行修正。进一步对测量机进行模态分析,分析结果表明测量机的最高运行频率低于最低阶固有频率,不会产生结构共振以致影响测量和定位精度。