闭环双输入并联调姿隔振平台机构学理论研究

摘要

面向精密载体设备对稳定工作环境的需求，提出以闭环双输入冗余自由度并联机构作为调姿隔振平台的构想，利用机构的冗余自由度实现调姿与隔振的分离补偿，通过并联机构传动实现调姿与隔振同步混合输出；采用局部闭环机构作为分支输入单元以改善驱动性能。本文综合了一类适用于调姿隔振平台的新构型，并开展此类新机构的运动学和动力学基础理论研究，主要研究内容如下：
　　分析不同驱动方式实现同一混合运动的驱动特性。基于平面闭环机构综合双输入及多输入驱动单元，构造不同约束形式含多输入单元的串联运动链；基于约束螺旋理论型综合的一般方法，面向调姿隔振应用进行闭环多输入冗余自由度并联机构构型综合；分析机构自由度的连续性以及输入选取的合理性。
　　对含有子闭环的机构形式进行判定，并给出判别方法；提出了子广义坐标的概念，将闭环机构输出杆的运动表示成关于子广义坐标的广义旋量形式，基于旋量代数体系的刚体运动学理论，研究冗余自由度和非冗余自由度含子闭环的并联机构运动学建模方法，推导机构各构件对广义坐标的影响系数，解决了一类分支含子闭环的并联机构运动学建模问题，并将此类机构的建模过程统一到基于旋量代数的运动学建模理论之中。
　　推导了单刚体在物体坐标系和空间坐标系下以6维旋量表示的的牛顿-欧拉公式。基于虚功率原理和单刚体牛顿-欧拉公式的旋量表达，并结合以子广义坐标和广义旋量表示的含子闭环并联机构运动学模型，建立此类并联机构在关节空间和操作空间的动力学一般公式。以6-(PRRR)US和5-UPS/(RPRRR)RS两种含子闭环的并联构型为数值算例，进行理论计算，通过仿真验证了理论模型的正确性。
　　定义了多项闭环双输入冗余自由度机构评价指标；以3-(RRPRP)-(4S)并联机构为具体实例，分别进行针对机构单性能指标的单参数尺度综合和单目标多参数尺度综合；综合考虑机构各项性能指标，分别进行调姿输入、隔振输入和调姿隔振混合输入下的多目标尺度综合，获取各种输入情况机构尺寸参数的Pareto最优解集。
　　根据调姿隔振平台混合运动特点，研究冗余自由度闭环双输入机构输入求解方法；以6-(PRRPR)US机构为例，基于局部闭环的运动规律设计逐次逼近法，解决了此类机构反解时闭环输入单元的局部正解问题。根据调姿隔振应用情况，制定输入分配策略；面向车载设备稳定以及卫星观测相机精确指向，基于双输入求解方法与分配策略开展虚拟样机联合仿真，初步验证闭环双输入冗余自由度并联机构作为调姿隔振平台的可行性，并检验了输入算法与分配策略的正确性。
　　最后加工制造实物样机，并开展各种形式的运动实验，进一步验证样机调姿隔振混合运动输出能力以及理论求解方法。
　　通过对闭环双输入冗余自由度并联调姿隔振平台的研究，明确了此类机构运动学和动力学本质特征；给出双输入协调匹配工作的具体方法，并证明其在调姿隔振应用上的可行性；同时研究过程中对机构分析的一些优化与仿真手段，可以作为分析同类机构的参考途径。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 调姿模拟与稳定平台研究概述

1.3 激振与振动控制台研究概述

1.4 运动学冗余自由度机构研究概述

1.5 选题意义及主要研究内容

第2章 闭环多输入调姿隔振平台构型综合与分析

2.1 引言

2.2 基于约束旋量理论的机构型综合方法简介

2.3 多成分混合运动输出机构驱动特征及分类

2.4 含子闭环输入单元的冗余自由度机构综合

2.5 多输入机构自由度连续性及输入合理性判别

2.6 本章小结

第3章 含子闭环的并联机构运动学分析

3.1 引言

3.2 基于旋量代数的刚体运动学理论基础

3.3 子闭环辨识及其输出杆运动的旋量描述

3.4 含子闭环的串联机构运动学建模

3.5 含子闭环的并联机构运动学分析

3.6 本章小结

第4章 含子闭环并联机构动力学分析与仿真验证

4.1 引言

4.2 基于旋量代数的单刚体牛顿-欧拉动力学建模方法

4.3 含子闭环的空间机构动力学建模一般方法

4.4 两种含子闭环的并联机构建模分析与仿真验证

4.5 本章小结

第5章 闭环双输入调姿隔振机构尺度综合

5.1 引言

5.2 机构尺度综合的约束条件及不变参数

5.3 基于操作灵巧性的调姿隔振机构尺度综合

5.4基于运动/力传递性能的调姿隔振机构尺度综合

5.5基于刚度特性的调姿隔振机构尺度综合

5.6 基于GDI、GTI和SHI的多指标尺度综合

5.7 本章小结

第6章 双输入调姿隔振机构驱动策略与应用

6.1 引言

6.2 瞬时驱动锁定单输入求解法

6.3 基于高低频运动分量的输入分配策略

6.4 调姿隔振混合运动应用联合仿真分析

6.5 本章小结

第7章 闭环双输入样机设计制造与实验研究

7.1 引言

7.2 实验系统整体结构组成

7.3 双输入样机运动实验

7.4 本章小结

结论

附录

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢