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。

为了实现水下机器人的推进装置具备空间姿态调整和大转矩的动力传递功能, 本文提出了UPR-UPU-UR矢量推进机构。首先, 运用螺旋理论计算了矢量推进机构的自由度, 基于解析法构建了矢量推进机构的位置模型。其次, 推导出了矢量推进机构的输出矢量和输入矢量之间的关系, 并采用粒子群优化算法对矢量推进机构进行了位置正解计算。然后, 基于矩阵分析法从速度雅克比矩阵和机构特征性角度研究了机构奇异性, 计算了矢量推进机构动平台的工作空间。最后, 搭建了UPR-UPU-UR矢量推进机构的实验平台, 并进行了试验研究。数值仿真和实验结果表明: 粒子群优化算例在绝对误差小于0.001°下可获得机构动平台的精确位姿, 机构的矢量推进性能实验值与理论值存在的最大误差为5%, 这证实了该机构具有良好的运动特性和推进性能。矢量推进机构是通过改变两条支链长度来调整螺旋桨的推力方向, 使机器人可以具备偏航、俯仰、横滚等多种运动模式, 有助于其实现复杂的水下运动。

运动学标定是提高并联机构精度的重要途径。采用与辨识雅可比矩阵相关的可观测性指标最大化的方法选择测量位姿, 可以提高并联机构运动学标定对传感器测量噪声的鲁棒性。辨识雅可比矩阵是并联机构位移和姿态的函数, 但位移和姿态对应的辨识雅可比矩阵中的元素的数量级不同, 导致所选测量位姿的位移和姿态对测量噪音的鲁棒性不同。因此, 本文提出先对辨识雅可比矩阵进行无量纲化, 再通过可观测性指标选择测量位姿, 保证位移和姿态对测量噪音具有相同的鲁棒性, 进而提高标定精度。通过数值算例, 3种测量噪音下该方法标定的结构参数精度相对于传统方法均有大幅提高, 分别由1.007 5, 0.100 9, 0.010 1 mm提高到0.033 7, 0.033 7, 0.003 4 mm; 该方法标定的位置精度相对于传统方法基本不变, 但姿态精度有大幅提高, 分别由0.015 2°, 0.003 3°, 0.000 15°提高到0.003 3°, 0.000 3°, 0.000 033°。以该方法选取的测量位姿对Stewart并联机构进行标定试验, 标定前后位置和姿态的误差均值分别从2.321 mm和0246°降至0.242 mm和0.025°, 有效地提高了位姿精度。

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。