关键词： 机械多体系统   动力学   递推   李群李代数   闭环   力控制  

摘要： 随着现代科学技术的发展,涌现了由大量物体组成的工程对象,如车辆、串并联机构、机械手、航空航天飞行器等多体系统对象,这些以各种各样方式相互联系所组成的工程对象需要与时俱进的新方法对其进行研究,以便缩短开发时间。多体系统动力学以上述大规模机械系统为研究对象,主要研究其正向、反向和混合运动学、动力学问题。作为一门学科分支,多体系统综合了刚体力学、分析力学、计算力学、材料力学、生物力学等多学科的成就,作为一个经过多年实践应用逐步发展起来的一门古老而又高新的应用技术分支,多体系统动力学正是在不断适应航空、航天工程、机械工程、汽车工程、仿生假肢等等若干机械工程领域具体对象分析研究需要的过程中不断发展、不断进步。 本文主要研究一种统一的开闭环机械递推多体系统动力学的理论、算法和应用问题。围绕多体系统快速高效的递推建模、基于动力学的优化设计与仿真控制,从建模方法的选择比较,链式系统到树形系统、无根树系统、含主被动关节系统的扩展,闭环系统的递推动力学研究,柔性多体系统的递推方法,到软件系统与控制仿真问题详细进行了阐述,旨在发展一种高效率、高精度以及面向实时动力学计算和控制的分析方法。 首先比较了空间算子代数方法、铰接体惯量方法和李群李代数方法这三种具有O(N)计算效率的递推动力学方法,总结了三种反向动力学和正向动力学的核心算法的基本理论原理和递推实现的过程,由此得出旋量表示刚体运动是形成高效递推动力学的基础。这几种方法虽然各自的原理和出发点与形成过程不全一样,但它们最终得到了一致的高效递推的动力学算法。本文将这三种方法加以综合,博采众长,形成了一套高效递推的动力学算法,通过编程计算,并与动力学软件SimMechanics的结果相比较,验证了算法的正确性。从递推算法所需的加法和乘法次数上面考察了理论计算量,并且比较了O(N3)方法与O(N)方法的实际计算时间。 然后在链式系统的基础上,采用低序体阵列将李群李代数表示的递推动力学方法推广到树形系统;研究将无根树系统中加入了五个质量为零的虚拟体和六个虚拟关节,得到了完全递推的无根树系统的动力学算法;提出将递推牛顿—欧拉方法进行改进,使其适应于含主被动关节的形式,推导得到了含主被动关节系统的混合递推动力学算法。针对闭环系统的约束问题,提出构造一系列的自然正交补矩阵,将闭环系统的动力学方程有关的广义惯量矩阵表示出来,再对广义惯量矩阵进行递推分解就可以得到递推的动力学方法,从而得到递推的闭环系统的反向动力学和正向动力学递推动力学算法。基于此种动力学方法对六连杆压力机进行了优化设计。 其次针对含柔性的多体系统问题,提出将柔性离散为有限段模型和有限元模型,结合前面的递推动力学算法,分别得到了有限段表达的多柔体系统递推动力学模型和有限元模型表示的多柔体系统递推动力学模型。针对两类空间可展机构——铰链类展开机构和立体展开机构进行了动力学分析。采用有限段方法分析了一三段展开的卫星天线模型,给出了柔性天线的快速仿真结果。研究了基于Bennett机构的立体展开机构,提出用动力学的方法研究立体展开机构,分析了立体展开机构的两个基本组成部分——平面四杆机构和空间四杆机构的动力学,为立体展开机构的动力学分析打下了基础。 最后提出用三个部分来解决多体系统的动力学程序设计与控制仿真问题。Mathematica符号分析软件建立系统的符号表达模型,通过***的.NETLINK实现了与Mathematica的无缝连接与用户交互界面。用Matlab实现数值软件计算与控制仿真,提出通过自动编程的C代码与S-Function函数实现Mathematica与Matlab的无缝连接。讨论了基于动力学的控制算法,针对一空间漂浮Stanford机器人,比较了PID控制方法和力位移混合控制法的仿真结果。

关键词： 高速精密重载机械手   建模   UG运动仿真   多领域   AMESim仿真  

摘要： 高速精密重载机械手作为重大装备制造业中最主要的工具而被广泛应用于汽车、船舶、航空、航天、大型机床、以及钢铁冶金等行业。但由于困扰机械手工作质量、性能和效率的主要因素仍然是重载情况下,机械手的定位精度、速度以及相应带来的结构优化问题。“精密”、“重载”和“高速”始终是一个矛盾的统一体,而要完美的解决这个统一体的矛盾,就必须找到影响它的因素。影响的主要因素往往不是某一方面的,而主要是来自机械手驱动系统、控制系统、传动系统和末端执行系统内部或相互之间的机-电-液等领域的众多因素,也不是众多因素的简单叠加,而是众多因素的相互作用、相互影响、共同作用的合成体。因此“高速精密重载机械手多领域建模与仿真研究”就成了当今研究的新课题。 本课题主要完成了以下研究: 第一,对高速精密重载机械手的总体、结构和驱动系统进行了相关的探讨,同时对高速精密重载机械手的动力学理论进行了研究。 第二,提出了一种用于汽车装配的高速精密重载机械手。对机械手的系统总体设计要求进行了分析,并对机械手进行了结构设计(包括零部件和总体装配)和建模,最后应用动力学的理论对这种六自由度装配机械手进行了正逆运动学分析。 第三,提出了高速精密重载手机电液多领域仿真研究理论与方法:首先对机械手进行了运动仿真,根据仿真结果分析了执行机构的速度和加速度曲线。其次应用AMESim软件对机械手的控制系统(电液方面)进行了分析和仿真;通过分析仿真结果(执行机构的位移、压力、速度和加速度曲线)得出了如下研究成果:该控制系统对机械手在行程范围内任意位置可控,能实现精确定位,且响应速度快,能取得良好的控制效果,进一步验证了所建模型的正确性和控制系统的有效性。 通过对高速精密重载机械手虚拟模型的运动分析和控制系统的仿真,验证了机械手的有关设计参数对性能、功能指标的影响规律,使其实现“高速”、“精密”和“重载”三方面的性能合理融合,从而为高速精密重载机械手性能评价技术和试验技术提供了理论依据和参考。

关键词： 沙滩车   机械锁止式差速器   虚拟样机技术   运动仿真   动力学  

摘要： 沙滩车是一种介于摩托车和汽车之间的产品,因其独特的结构可以自如地行走于沙滩、沼泽、坡地等复杂路面,随着消费者的需求的增加及创新技术的实现,沙滩车迅速地发展起来。差速器是沙滩车的重要部件之一,主要用于保证沙滩车两侧车轮在行程不等时能以相应的不同转速旋转,从而满足其行驶运动学要求,消除左右车轮在运动学上的不协调。因此,其性能好坏对沙滩车的动力性能有着很大的影响。 本文以最具有代表性的Eaton差速器为参考设计原型,设计出了一款适用于大排量沙滩车的机械锁止式差速器,详细介绍了差速器齿轮机构的设计方法,对沙滩车差速器的其他关键部位进行了设计分析,并对它们进行了强度计算。利用Pro/E软件实现了差速器的三维建模,并实现了差速器整体的虚拟装配。 本文介绍了ADAMS及其与Pro/E之间的数据转换方式,并将Pro/E模型导入到ADAMS中去,添加了系统载荷和约束,讨论了齿轮接触碰撞参数的选取,最终完成了沙滩车差速器虚拟样机的建立。对沙滩车几种工况进行了运动学和动力学分析,包括了高速直线行驶、低速直线行驶、起步、转弯等工况,并针对其自锁与解锁功能进行了运动学仿真分析。分析结果对改善机械传动系统动力学性能和关键零部件设计有一定的指导作用,为其主要部位的齿轮载荷获取以及疲劳寿命预测提供了新的研究方法,同时为沙滩车差速器的优化设计提供了依据。

关键词： 空间柔性机械臂   刚/柔/控耦合   小波神经网络   非最小相位   鲁棒控制  

摘要： 人类对太空探索的不断深入使得空间任务越来越多,而太空环境的特殊性和危险性使得很多任务不能完全依靠宇航员完成。空间柔性机械臂具有适应太空恶劣作业环境的能力,采用机械臂协助或代替宇航员完成一些太空作业在经济性和安全性两方面都具有现实意义,已成为当前空间技术领域的重要研究方向。本论文在教育部科学技术研究重大项目“空间柔性机器人动力学／控制耦合系统的研究”(课题编号：307005)的资助下,以空间柔性机械臂为研究对象,对其动力学特性和相关的主动控制策略展开了深入的分析和研究,本文的主要工作如下： 首先,提出空间机械臂的刚／柔／控耦合模态分析概念,借助反馈约束原理求得柔性臂在动约束状态下的复杂边界条件,并将关节控制器参数引入臂杆在离散平衡位置附近的振动动力方程,分别建立了频域空间和状态空间内模态求解的解析方法；针对机械臂的大范围运动影响臂杆自身的弹性振动模态问题,重点研究柔性臂动力学方程中切向惯性力项的影响,得到刚／柔耦合运动条件下臂杆的振动模态参数；特别地,研究了多活动部件柔体系统的有限元分析方法,并求解某型多自由度空间柔性机械臂的模态特性。 其次,从虚功的角度出发,采用哈密顿变分原理对含约束阻尼非保守力的柔性机械臂系统进行刚／柔／控耦合动力学建模；基于系统的状态空间模型设计一种适用于开、闭环条件的稳定数值PIM法,同时进行大量的数值实验以验证积分算法的有效性；对控制器反馈约束作用下系统的动力学响应进行数值求解并与KED法进行对比分析,得到不用于经典振动理论的结论。 再次,对机械臂柔性关节的动态不确定模型进行了建模分析,并提出一种同时补偿柔性、非连续摩擦、系统不确定性和外部干扰抑制的小波神经-鲁棒复合控制策略。全局采用Lyapunov函数的Backstepping方法设计具有柔性补偿和L2干扰抑制性能的控制器,同时,针对常规神经网络无法辨识非连续性函数的问题,提出在局部采用小波神经网络对摩擦和不确定项进行补偿。设计的控制策略不仅避免了单一反演鲁棒设计中复杂的求导运算,而且无须检测关节角加速度、辨识摩擦和估计不确定上界。 再其次,基于微分几何输入-输出线性化方法将双连杆柔性机械臂在新坐标系下分解为输入-输出子系统和内部子系统,导出零动力学规范化方程,并讨论系统观测输出位置的选择和零动力学稳定性之间的关系；建立柔性机械臂的全局快速收敛终端滑模控制策略,解决非最小相位系统的鲁棒控制问题,实现仅依靠关节处的驱动电机完成关节定位和臂杆残余振动的抑制。 最后,对空间柔性机械臂的相关动力学特性和控制策略进行实验研究,搭建空间柔性机械臂地面气浮式微重力模拟综合实验平台,设计并完成柔性关节的位置跟踪与测试、柔性机械臂的试验模态分析、柔性臂残余振动的主动控制等典型实验。

ISBN: (纸本)9787512100893

关键词： 水平轴海流机   水动力性能   大涡模拟   滑移网格法   双转子   波浪海底边界层   空化  

摘要： 水平轴海流机是海流能发电机械的一种重要形式,目前还处于初期的研究阶段。本文首先采用线涡流函数面元法预测了海流机翼剖面的水动力特性,并结合叶素动量法对海流机水动力进行了校核；然后采用三维粘性流场数值计算方法预测了海流机单转子、串列布置双转子的水动力性能；研究了海底边界层速度分布、波浪对海流机水动力性能的影响；最后分析了海流机的空化性能。 对计算结果分析发现：线涡流函数面元法可以有效预测海流机翼剖面的水动力特性,结合叶素动量法可以对海流机性能进行初步的校核；对单转子海流机性能的预测发现,LES模型和SA模型都能够较好地预测海流机在设计工况下的水动力性能；对于本文中所研究的串列布置的双转子海流机,间距对水动力特性的影响较大,而初始相位角对水动力特性的影响较小,要保证串列布置的双转子海流机的输出性能,其间距需达到30倍的叶轮直径以上；海底边界层会引起海流机水动力特性周期性的变化,其频率特性与转动频率一致；波浪也会引起海流机周水动力特性期性的变化,其频率主要受波浪频率的影响,同时也受到转动频率的影响；数值预测的海流机的初生空化数为0.84与实验初生空化数接近,而且空泡的形态也与实验结果一致。 本文所发现的有关海流机水动力特性的规律,为海流机的优化设计和安全运行提供了新思路；采用三维粘性流场数值计算方法来预测海流机的性能,为海流机发电的进一步研究提供了参考。

关键词： 柔性臂   动力学建模   动轴   质量矩阵   数值方法  

摘要： 航天技术和机器人技术的发展,使空间柔性机械臂得到了更多的关注。空间柔性机械臂在操作速度、工作效率、能耗等方面有较大的优点。但由于它结构的特殊性,机械臂在运动中会发生变形和振动,这给空间柔性机械臂的定位和跟踪控制带来了很多问题。 本文以双柔性梁组成的机械臂为研究对象,首次建立了转轴方向余弦变化的较复杂系统动力学模型,并完成了它的仿真计算,得出其动力学响应。为空间柔性机械臂作进一步的动态优化设计和运动控制等研究打下了基础。首先,本论文以多柔体系统动力学理论为基础,给出点绕动轴转动的坐标变换矩阵,推导出点绕动轴转动的系统质量矩阵。其次,根据推导出的系统质量矩阵,建立双梁柔性机械臂的动力学控制方程。同时,采用新的数值算法求解上述动力学控制方程,编写计算程序,完成其动力学仿真。最后,分析其动力学仿真结果,表明文中理论及算法正确。

关键词： 电梯   振动   动力学模型   动态特性   模态   瞬态响应   仿真平台  

摘要： 随着电梯速度的提高,电梯轿厢的振动越来越大,乘坐舒适性问题成为影响电梯发展的瓶颈。本文以研究曳引电梯系统的动态特性和寻求减振策略为主要目的,对论文的研究研究背景和意义进行了阐述,对国内外的电梯发展趋势及其动态特性研究现状进行了介绍,以此提出本文主要的研究内容。 对电梯运行速度给定曲线进行了分析,从电梯的运行效率、乘坐舒适性和便于分析等方面综合考虑,对电梯的运行速度给定曲线进行了选取。给出电梯系统模态分析和瞬态响应分析的原理以及计算方法。 建立了曳引比为1：1的7自由度耦合垂直振动微分方程,通过Matlab编程求得在电梯的启动,运行和制动的整个过程中电梯垂直振动的各阶固有频率随时间的变化,并应用弹性动力学的方法将时变系统划分成有限个时不变系统,分别求的电梯系统在各工况下的振动加速度。 建立了电梯轿厢-导靴-导轨的耦合振动微分方程组,考虑了导轨在电梯运行的过程中产生的弹性变形,用连续梁模拟导轨的弹性振动,并且以导轨在安装时产生的弯曲作为振动激励,应用弹性动力学方法对电梯系统的动态特性进行了理论分析,并用龙格-库塔法对微分方程组进行求解,分别计算分析了导轨的同向弯曲、异向弯曲及在电梯运行过程中导轨产生的弹性变形对电梯水平振动的影响。 基于一维弦的波动理论,以曳引绳-轿厢为研究对象,建立了电梯水平振动的模型,应用坐标变换、伽辽金加权余量法和分离变量,分布质量波动模型转化为了集中质量近似模型,通过Matlab编程,对电梯系统进行了模态分析和动力学响应响应分析,以此分析了电梯系统参数对电梯动态特性的影响情况。 基于C++语言编程,开发了电梯动态特性仿真平台,借助仿真平台研究了系统参数 对固有频率的影响,以及固有频率随时间的变化规律。

关键词： 柔性机械臂   关节非线性   抓取动力学   振动抑制  

摘要： 随着航天事业的飞速发展,空间机械臂越来越多的应用于辅助或代替宇航员完成空间任务,这在经济性和安全性方面都具有重要的意义。空间机械臂是典型的刚-柔混合系统,由于机械臂的刚柔耦合特性,以及柔性关节引起的结构非线性特性,使得空间机械臂在轨操作面临诸多难题。本文在详细调研国内外相关领域研究的基础上,针对考虑关节非线性的柔性机械臂抓取动力学等问题进行了详细的研究,主要包括以下内容: 首先,以三连杆柔性机械臂为对象,考虑了杆的横向弯曲变形、纵向拉伸变形及由于横向变形引起的轴向收缩的二阶耦合量等因素,同时引入转子扭簧模型考虑了关节非线性因素的影响,应用第二类Lagrange方程和假设模态法建立了考虑杆件柔性和关节柔性的机械臂动力学模型。 其次,基于建立的考虑杆件柔性和关节柔性的机械臂动力学模型,对机械臂的抓取动力学进行分析。通过引入动态抓取域的概念,来描述机械臂的整个抓取过程;基于Hertz理论来描述抓取过程中的接触碰撞特性,并针对机械臂抓取捕获目标过程,分析了关节非线性对机械臂抓取过程动力学特性的影响。 再次,抓取过程中采用关节主动阻尼控制来抑制碰撞激振力,并在此基础上分析了匀速抓取和加速抓取策略下机械臂柔性关节的变形特性。 最后,针对完成抓取捕获目标任务后机械臂的残余振动问题,基于冗余自由度机械臂动力学与控制特性,应用最优控制对考虑关节非线性的柔性机械臂抓取后轨迹进行跟踪及机械臂抓取后定点振动抑制进行了研究。

关键词： 水下机器人-机械手系统   指数积   Kane方程   稳定性   冗余  

摘要： 伴随着人类社会的发展和物质文明的进步,陆地上的资源正日益枯竭,而为了满足人类社会发展对自然资源的需求,对蕴含丰富资源的海洋的开发显得愈发重要。在对海洋环境和资源进行考察和勘探作业中,带有机械手的水下机器人系统能够完成除观察监测任务外的更为复杂的操作任务,因此对水下机器人-机械手系统(Underwater Vehicle-Manipulator System,简称UVMS)动力学建模、运动控制及运动稳定性的研究具有重要的意义。 对于基座处于自由浮动状态的UVMS,本文采用指数积公式(product exponentials formula)分析其运动学问题,计算出了UVMS各个构件的速度及加速度表达式。在运动学分析的基础之上,得到了UVMS运动过程中的惯性力,并结合UVMS运动过程中所受到的水作用力和驱动力,本文运用Kane方程建立了UVMS的动力学模型。 在UVMS的运动过程中,机械手和水下机器人存在着动力学耦合,机械手的运动会导致水下机器人的运动。为了使得机械手展开过程中对处于浮游状态的水下机器人影响最小,应合理地规划机械手的展开轨迹,本文基于动平衡理论,研究机械手展开运动对水下机器人的摆动力和摆动力矩的变化。并以此为目标函数,采用遗传算法对机械手展开运动的参数进行了优化,最终获得了机械手展开过程中对水下机器人产生的摆动力和摆动力矩最小的运动规律,并用基于动力学模型的数值仿真验证了优化结果的正确性。 为了研究UVMS的运动稳定性问题,本文参照小扰动理论,对UVMS的非线性运动方程进行了线性化处理,获得了UVMS的线性化运动方程,并用李雅普诺夫第一方法对线性化运动方程的特征根进行了稳定性判定。 在对UVMS运动学冗余的处理过程中,本文采用基于模糊逻辑的任务优先级方法,合理地规划了水下机器人和机械手的运动,并考虑了UVMS运动过程中奇异位形和关节极限问题的处理,最后用数值仿真验证了此方法的有效性。