水下机器人可调螺距螺旋桨的并联变距机构设计与运动性能研究

摘要

随着海洋经济的发展，对海洋资源的勘测和开发越来越得到国内外的重视。作为一种非常规的螺旋桨，可调螺距螺旋桨可以产生多维推进力，为实现水下机器人的机动灵活作业提供了很好的选择。由于水下机器人只能通过有缆或无缆的方式远程控制，变距机构成为影响可调螺距螺旋桨在水下机器人应用的关键机构，变距机构的运动特性决定了机器人在水下的操纵性能。因此，本文以可调螺距螺旋桨的变距机构作为研究对象，开展了以下研究工作:
　　变距机构与具有可调螺距螺旋桨的水下机器人设计:根据对变距运动的自由度分析，优选了用于变距的1T2R并联机构—PS-RRS-2RUS并联机构，并验算了该机构的自由度;设计了可调螺距螺旋桨的布置形式和水下机器人的运动协调控制方法。
　　PS-RRS-2RUS并联机构的运动学和动力学建模:推导了PS-RRS-2RUS并联机构的位置和速度模型，导出了PS-RRS-2RUS并联机构的速度雅克比矩阵。在运动学模型的基础上，进行了各部件的速度映射分析，加速度分析和受力分析，应用虚功原理的方法搭建了PS-RRS-2RUS并联机构的动力学模型。
　　PS-RRS-2RUS并联机构的运动性能分析:使用矩阵分析方法讨论了PS-RRS-2RUS并联机构的奇异性问题，分析求得了并联机构的工作空间，研究了机构在工作空间内的灵巧性和静刚度问题。
　　PS-RRS-2RUS并联机构的虚拟样机建模与控制仿真:联合使用SolidWorks软件和SimMechanics模块搭建了PS-RRS-2RUS并联机构的虚拟样机模型，验证了机构运动学模型和动力学模型的正确性;设计了基于铰点空间的PID控制器，实现了并联机构的运动控制仿真。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题来源及研究背景和意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状及发展动态分析

1．2．1 水下机器人中的可调螺距螺旋桨机构

1．2．2 具有一维移动和二维转动的并联机构

1．3 本文的主要研究内容

第2章 变距机构与具有可调螺距螺旋桨的水下机器人设计

2．1 引言

2．2 变距机构的方案设计

2．2．1 变距机构方案比较

2．2．2 倾斜盘与桨叶螺距角的运动关系

2．3 用于变距的并联机构构型创新设计

2．3．1 并联机构的支链类型

2．3．2 并联机构的构型创新设计

2．3．3 PS-RRS-2RUS并联机构的自由度计算

2．4 具有可调螺距螺旋桨的水下机器人设计

2．4．1 调距螺旋桨在水下机器人中的布置

2．4．2 具有可调螺距螺旋桨的水下机器人运动协调控制

2．5 本章小结

第3章 PS-RRS-2RUS并联机构的运动学和动力学建模

3．1 引言

3．2．1 坐标变换矩阵

3．2．2 运动学逆解

3．2．3 速度雅克比矩阵

3．3 PS-RRS-2RUS并联机构的动力学建模

3．3．1 PS-RRS-2RUS并联机构的速度与加速度映射

3．3．2 PS-RRS-2RUS并联机构的受力分析

3．3．3 PS-RRS-2RUS并联机构的动力学模型

3．4 本章小结

第4章 PS-RRS-2RUS并联机构的运动性能分析

4．1 引言

4．2．1 雅克比矩阵的代数行列式

4．2．2 奇异位形示例

4．3．1 工作空间影响因素

4．3．2 工作空间求解

4．4 PS-RRS-2RUS并联机构的灵巧性

4．4．1 灵巧性建模

4．4．2 实例分析

4．5．1 静刚度建模

4．5．2 实例分析

4．6 本章小结

第5章 PS-RRS-2RUS并联机构的虚拟样机建模与控制仿真

5．1 引言

5．2 虚拟样机模型

5．2．1 SimMechanics基本模块

5．2．2 PS-RRS-2RUS并联机构的简化

5．2．3 PS-RRS-2RUS并联机构的SimMechanics模型

5．3 PS-RRS-2RUS并联机构的运动学和动力学仿真验证

5．3．1 PS-RRS-2RUS并联机构的运动学和动力学分析

5．3．2 PS-RRS-2RUS并联机构的运动学和动力学仿真验证

5．4．1 机构控制策略

5．4．2 基于铰点空间的PID控制器设计

5．4．3 PS-RRS-2RUS并联机构控制仿真

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文与参加科研情况

附录