UPR-SPU-UR矢量推进机构的运动性能研究

发布时间：2018-12-13 00:46

【摘要】：水下机器人是目前海洋研究的热点之一,矢量推进作为一种有效的推进方式能够明显的提高水下机器人的推进性能。一些球面并联机构具有刚度高、寿命长等优点,同时能够实现单螺旋桨的矢量控制。目前常见的该类机构多为转动驱动且支链对称,本文采用直线驱动的非对称机构UPR-SPU-UR,进行了运动学分析和相关仿真,并就机构性能进行了研究,为用于矢量推进的球面并联机构的设计提供了新的思路。具体内容如下:(1)完成UPR-SPU-UR的结构描述并建立坐标系,运用螺旋理论分析其自由度。利用解析法分析UPR-SPU-UR的位置关系,推导出位置正逆解。对逆解表达式两边关于时间求导,得到UPR-SPU-UR并联机构两个驱动输入和动平台输出之间的速度映射矩阵,即为速度雅克比矩阵。通过ADAMS完成UPR-SPU-UR机构的多刚体建模,验证其自由度。利用ADAMS中的点驱动和样条驱动,完成运动学仿真和动力学的仿真,并与基于解析法的MATLAB仿真结果相比较,验证理论推导的正确性。(2)分析速度雅克比矩阵,确定UPR-SPU-UR的奇异位形。综合了驱动支链长度、运动副转角、杆件干涉和奇异位形等限制条件,求解了可达工作空间,并借助MATLAB利用空间搜索法绘制出动平台参考点的可达工作空间。以雅克比矩阵条件数的倒数作为灵巧度的判定标准,分析不同姿态下UPR-SPU-UR的灵巧性。最后计算全局雅克比矩阵,并仿真分析局部刚度图谱和全局刚度图谱。(3)选取两条驱动支链的细长杆作为柔性体,联合ANSYS、ADAMS,构建刚柔混合仿真模型,绘制空间螺旋线轨迹,分析柔性支链的变形对机构整体运行产生的影响。然后利用计算流体动力学软件Fluent探索该推进机构螺旋桨主轴最大摆角时,螺旋桨产生的推动力和偏转力,并分析其对AUV整体运行的影响。最后利用计算流体动力学研究了多种运动模式下螺旋桨的敞水性能,并对螺旋桨弦向压力分布、桨叶表面的压力分布和流量分布分别进行了仿真研究。本文的研究结果对于UPR-SPU-UR的动力学理论分析、尺寸优化和样机制作具有重要的指导意义。
[Abstract]:Underwater vehicle (AUV) is one of the hot spots in ocean research. Vector propulsion as an effective propulsion method can obviously improve the propulsion performance of AUV. Some spherical parallel mechanisms have many advantages such as high stiffness, long life and so on. At the same time, they can realize the vector control of single propeller. At present, most of these mechanisms are driven by rotation and the branch chain is symmetrical. In this paper, the kinematics analysis and related simulation of the asymmetric mechanism driven by straight line are carried out, and the performance of the mechanism is studied. It provides a new idea for the design of spherical parallel mechanism for vector propulsion. The main contents are as follows: (1) the structure of UPR-SPU-UR is described and the coordinate system is established. The degree of freedom is analyzed by helical theory. The position relation of UPR-SPU-UR is analyzed by analytic method, and the positive and inverse solution of position is deduced. The velocity mapping matrix between two driving inputs and moving platform outputs of the UPR-SPU-UR parallel mechanism is obtained, which is called the speed Jacobian matrix. The multi-rigid body modeling of UPR-SPU-UR mechanism is completed by ADAMS, and its degree of freedom is verified. The kinematics simulation and dynamics simulation are completed by using the point drive and spline drive in ADAMS, and compared with the results of MATLAB simulation based on analytic method, the correctness of the theoretical derivation is verified. (2) the velocity Jacobian matrix is analyzed. The singular configuration of UPR-SPU-UR is determined. The reachable workspace is solved by synthesizing the limiting conditions such as the length of the driving chain, the angle of the motion pair, the interference of the bar and the singular configuration, and the reachable workspace of the reference point of the platform is plotted with the help of MATLAB by the method of space search. Taking the reciprocal of Jacobian matrix condition number as the criterion of dexterity, the dexterity of UPR-SPU-UR under different attitude is analyzed. Finally, the global Jacobian matrix is calculated, and the local stiffness and global stiffness maps are simulated. (3) two slender rods driving the chain are selected as flexible bodies, and the rigid-flexible hybrid simulation model is constructed by combining with ANSYS,ADAMS,. The effect of the deformation of the flexible branch chain on the whole operation of the mechanism is analyzed. Then the propeller's driving force and deflection force are explored by using the computational fluid dynamics software Fluent, and its influence on the whole operation of AUV is analyzed. Finally, the open water performance of propeller under various moving modes is studied by computational fluid dynamics. The chordal pressure distribution, pressure distribution and flow distribution of propeller blade surface are simulated respectively. The results of this paper are of great significance to the dynamics theory analysis, dimension optimization and prototype fabrication of UPR-SPU-UR.
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH112;TP242

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 周立华,K H Modler,H Kerle,林松;简介德国并联机构之研究[J];机械设计;2001年01期

2 郑亚青,刘雄伟;绳牵引并联机构的研究概况与发展趋势[J];中国机械工程;2003年09期

3 郭瑞琴;;并联机构运动分岔与稳定性分析[J];机械传动;2008年02期

4 ;第三届并联机构的关键问题与未来发展方向国际会议征文通知[J];机械工程学报;2013年14期

5 ;第三届并联机构的关键问题与未来发展方向国际会议征文通知[J];机械工程学报;2013年16期

6 ;第三届并联机构的关键问题与未来发展方向国际会议征文通知[J];机械工程学报;2013年18期

7 ;第三届并联机构的关键问题与未来发展方向国际会议征文通知[J];机械工程学报;2013年17期

8 邓嘉鸣;尹洪波;沈惠平;李菊;杨廷力;;基于方位特征集的两转动(0T-2R)并联机构的型综合及其应用[J];中国机械工程;2013年24期

9 李鹭扬,吴洪涛;并联机构正运动学一维搜索法[J];扬州大学学报(自然科学版);2000年01期

10 杨光,文福安,魏世民;用于并联机构位置正解的座标法[J];机械科学与技术;2001年03期

相关会议论文 前10条

1 苏军辉;黄玉美;高峰;;抓取机器人的并联机构刚度解析[A];制造技术自动化学术会议论文集[C];2002年

2 杨东超;杨向东;刘莉;陈恳;;并联机构的可驱动性研究[A];2007年中国机械工程学会年会论文集[C];2007年

3 张义凤;姚郁;;六自由度并联机构驱动速度性能优化设计[A];中国系统仿真学会第五次全国会员代表大会暨2006年全国学术年会论文集[C];2006年

4 孟飞;;极限边界搜索实现的并联机构工作空间分析[A];先进制造技术论坛暨第五届制造业自动化与信息化技术交流会论文集[C];2006年

5 范彩霞;刘宏昭;;双驱动五自由度并联机构型综合[A];第9届中国机构与机器科学应用国际会议（CCAMMS 2011）暨中国轻工机械协会科技研讨会论文集[C];2011年

6 董培涛;吴学忠;;平面二自由度并联机构工作空间分析的新方法[A];面向21世纪的生产工程——2001年“面向21世纪的生产工程”学术会议暨企业生产工程与产品创新专题研讨会论文集[C];2001年

7 刘治志;罗玉峰;石志新;杨廷力;;一种平面三自由度并联机构动力学分析的序单开链法[A];第十一届全国非线性振动学术会议暨第八届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议论文摘要集[C];2007年

8 荣辉;丁洪生;张同庄;;一种空间三自由度并联机构的震动力平衡[A];第十三届全国机构学学术研讨会论文集[C];2002年

9 王昕;李泽湘;;冗余驱动并联机构的运动控制分析与应用[A];第二十二届中国控制会议论文集（下）[C];2003年

10 宋方臻;宋波;;平面并联机构与磁悬浮控制电主轴耦合系统的瞬态响应分析[A];中国自动化学会控制理论专业委员会A卷[C];2011年

相关博士学位论文 前10条

1 毛秉毅;闭环和并联机构拓扑胚图理论与应用[D];燕山大学;2015年

2 邵杰杰;浸没流场缝隙控制技术研究[D];浙江大学;2015年

3 丁建;六自由度并联机构精度分析及其综合方法研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

4 徐东涛;基于动力学分析的改进型Delta并联机构运动可靠性建模技术[D];东北大学;2015年

5 纪志飞;3-SPS张拉整体并联机构的构型综合与运动性能分析及能量采集研究[D];西安电子科技大学;2015年

6 曹文熬;空间多环耦合机构数字化构型综合理论[D];燕山大学;2014年

7 叶伟;一类可重构并联机构的结构设计方法与运动学分析[D];北京交通大学;2016年

8 汪从哲;多转动自由度并联机构的结构创新设计与应用研究[D];北京交通大学;2016年

9 张秀礼;一类含复合驱动及约束分支少自由度并联机构理论研究[D];燕山大学;2016年

10 张普;面向操作顺应性的锻造模拟器设计与评估方法研究[D];上海交通大学;2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 赵世培;并联机构的人机交互式装配实现及运动性能自动分析[D];燕山大学;2015年

2 何勇;面向车载设备的多维激振平台系统研制[D];燕山大学;2015年

3 郭萌萌;重力作用下被动过约束并联机构受力与虚拟仿真分析[D];燕山大学;2015年

4 卢芹芹;三维平移并联机构型综合与性能分析[D];燕山大学;2015年

5 苏永林;基于解耦并联机构的推拿机器人设计与研究[D];燕山大学;2015年

6 杨超;直线驱动的球面并联机构控制技术研究[D];河北联合大学;2014年

7 宫玉凤;一种一转四移驱动五自由度并联机器人的理论研究[D];燕山大学;2015年

8 周莎莎;少自由度过约束并联机构研究[D];河北工程大学;2015年

9 吴静;被动铰为球铰的二自由度平移并联机构的分析与设计[D];南京理工大学;2015年

10 果金龙;C形龙门架并联铣床刚度与动态特性研究[D];南京理工大学;2015年

，

本文编号：2375548