六维加速度传感器能测量完整的空间加速度信息, 在高端装备等领域应用前景广, 但目前该类系统在大扰动下解耦机理不明确。该文以Stewart型六维加速度传感器为例, 通过挖掘系统输出量间的协调关系, 构建了4类双支链故障情况下的自修复算法。研究发现, 算法的漏判率与预设的协调方程阈值有关。试验结果表明, 引入自修复算法后, 在双支链故障下六维加速度传感器的综合解耦误差降低了42%, 满足实时性要求, 即该算法有效、可行。

提出了一种可实现一维移动和二维转动(1T2R)且含有冗余支链的三自由度并联机构, 基于该机构设计了一种新型的海浪发电装置。对装置的浮子进行了运动学分析, 定量分析了浮子形状和尺寸对波浪能量采集效率的影响。推导了机构的位置反解, 建立了机构的速度、加速度映射关系, 并进行了运动学仿真。分析机构的工作空间, 针对海浪发电装置的实际应用情况定义了运动学性能评价指标, 绘制了工作空间内的性能指标分布图。研究结果表明: 圆柱体浮子适用于波浪周期变化较小的海域, 球形浮子适用于波浪周期变化较大的海域, 机构的工作空间满足海浪发电装置浮子的运动要求, 且在工作空间内运动学性能良好。该研究为本机构的动力学分析、结构尺度优化及样机研制提供了理论基础。

针对6自由度冗余驱动并联机构实时控制较难的问题, 以具有解析式正解的Stewart衍生拓扑构型为研究对象, 研究了位移输入的协调关系。通过设计二重复合球铰链和可转换主动、从动模式的移动副, 实现了6种不同冗余度的低耦合驱动模式。根据动平台上4个位置点之间的尺度约束关系, 构建了一种正向运动学全解析算法, 验证了位姿正解模型的正确性。推导化简了位移输入的6个协调方程, 分别运用Newton-Raphson法和Broyden法得到了协调方程的数值解, 对比结果发现, Broyden法的计算时间约为Newton-Raphson法的78%, Newton-Raphson法的精度优于Broyden法至少3倍。从许可初值偏差和结构参数两个方面研究了各种驱动模式对冗余协调算法的影响, 结果表明, 随着动平台边长的增大以及移动副初始长度的减小, 冗余协调算法允许有更大的许可初值偏差。进一步地, 基于区间分析理论引入并定义扰动适应性能评价指标, 计算出本机构的最佳冗余度为5, 并且得出Broyden法的综合扰动适应性能优于Newton-Raphson法的1.27倍。最后, 结合数值性态给出了Stewart衍生型并联机构移动副驱动模式优选的3点选取原则。研究方案可为6自由度冗余驱动并联机构的结构模型优化及实时控制提供参考依据。

为适应现代工程领域对移动机器人的新要求, 拓展移动机器人的作业场合, 该文提出了一种轮-腿复合式移动机器人球面并联腿机构。首先, 基于球面并联腿机构的闭环约束方程和旋转变换矩阵构建了其位置逆解数学模型; 接着, 采用代数消元法推导出了球面并联腿机构的位置正解的解析解; 然后, 运用影响系数法推导出了球面并联腿机构的速度和加速度影响系数矩阵; 在此基础上, 运用拉格朗日方法建立了球面并联腿机构的动力学模型。运用数值仿真对运动学和动力学模型进行了验证, 仿真得到了给定位姿数据与计算位姿数据之间的最大误差为0.012 7 rad, 误差不超过实际值的2.43%, 发现了球面并联腿机构驱动力的理论曲线和虚拟样机仿真曲线吻合, 两者之间的误差稳定在0～1 N的合理范围内, 验证了运动学和动力学模型的正确性。研究结果为轮-腿复合式移动机器人的步态规划和运动控制提供了理论参考。

提出一类含有冗余支链的3-RPS/3n-SPS并联机构, 为解决该类机构的逆动力学问题, 首先对机构进行运动学分析, 建立支链与动平台末端的速度、加速度映射关系, 并对运动学模型进行仿真验证; 之后对3-RPS/3n-SPS机构进行受力分析, 列出的平衡方程数目少于未知量个数, 基于机构分支作用力与动平台末端位姿误差间的协调关系构建动力学补充方程, 求解出该类机构中所有运动副的约束反力和机构分支作用力; 基于达朗贝尔原理对机构进行逆动力学建模, 建立了机构末端力和各杆件惯性力与机构分支作用力间的关系表达式, 求解了3-RPS/3-SPS机构分支作用力、运动副约束反力及动平台位姿误差, 通过分析机构分支作用力、运动副约束反力、动平台位姿误差随时间的变化规律, 验证本文建立的3-RPS/3n-SPS并联机构动力学模型的正确性。所得到的动力学结果为该类机构的进一步研究和工程应用奠定了理论基础, 此外该逆动力学建模方法也可用于其他含有冗余支链的并联机构中。

在动载条件下, 为实现并联机构驱动器低能耗、平稳地运行, 针对一种球面5R并联机构, 对其进行动载分配优化。首先利用矢量法得到了机构的运动学正反解, 考虑重力、外力和各构件惯性力的作用, 采用拉格朗日方法和虚功原理建立了球面5R并联机构的动力学模型, 并对机构的数值算例进行了动力学仿真验证, 结果表明: 理论值与仿真值的最大误差为1.3%, 验证了动力学模型的正确性。然后, 基于动力学模型, 考虑驱动器输出功率和力矩因素, 定义了机构的多目标优化函数, 采用B样条插值法规划轨迹, 并用归一化加权求和法优化求解该机构的最优轨迹。最后, 通过数值算例, 验证了优化方法的可行性, 且优化结果表明: 功率峰值降幅为分别为11.77%、48.75%, 力矩峰值降幅分别为0%、51.17%, 速度峰值降幅分别为20.97%、8.1%。说明该优化方法可以有效降低驱动器输出峰值, 使得并联机构驱动器运行平稳, 且该优化方法也适用于其他并联机构。