大型射电望远镜副反射面调整机构容错策略研究

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• 论文作者：姚建涛 ; 韩博 ; 窦玉超 ; 许允斗 ; 赵永生
• 年：2016
• 作者机构：燕山大学;中国电子科技集团公司第五十四研究所;
• 论文关键词：天线副反射面 ; 并联机构 ; 容错 ; 位姿调整 ; 工作空间
• 会议召开时间：2016-10-23
• 会议录名称：第二届可展开空间结构学术会议摘要集
• 语种：中文
• 分类号：TH751
• 学会代码：AGLU
• 会议名称：第二届可展开空间结构学术会议
• 会议地点：中国北京
• 主办单位：中国航天科技集团公司科技委、中国力学学会、中国振动工程学会、中国宇航学会
• 学会名称：中国力学学会
• 页数：2
• 文件大小：102k
• 原文格式：D
• 会议级别：全国

摘要

为适应全可动大射电望远镜天线运动过程中由于重力变形而引起的天线性能和指向的变化,采用六自由度Stewart并联机构作为65米射电望远镜天线副反射面调整机构,使副反射面实现X、Y、Z三个方向的平移及X、Y两个方向的旋转功能,副反射面绕自身轴线转动并不影响其使用,Stewart并联平台可对天线副反射面进行六个自由度方向的调整,因此绕副面轴线的转动自由度成为了调整机构的冗余自由度。该研究提出了基于冗余自由度的并联机构容错策略,并对其具体实施方法和容错运动后的机构的工作空间进行分析,验证容错策略的合理性。研究中假定某个分支故障,即分支杆长为定值,基于螺旋理论进行分支驱动故障的时候整体机构的自由度分析,得到分支故障后整体机构缺失的自由度以及剩余的自由度数目及性质;设定动平台的期望位姿,基于坐标变换法,对期望位姿下的并联调整机构进行运动学反解计算,得到各驱动分支长度与副面位姿之间的映射关系,然后将副面绕其轴线转动一个角度,由于副面绕轴线转动并不影响其指向,故可进行机构容错,分析计算转动角度后的整体机构的运动学反解,令副面转动角度后的故障驱动分支的运动学反解和故障发生时分支长度相等,求得转动角度与期望位姿以及故障分支故障时杆长值的函数关系式,将其带入其他非故障分支的运动学反解中,求得其他分故障分支的杆长,从而完成整个机构容错过程。对于实际工作中的副面并联调整机构,当在其工作空间任意位姿发生单分支驱动故障后,采用容错策略实现的工作空间是否仍然能够满足副面指向调整的需要,决定这容错策略能否应用到实际工作当中,因此有必要对并联调整机构容错情况下的工作空间进行计算验证。以初始位姿下动坐标系原点为中心,划定涵盖工作空间的立方体区域,将其离散成有限个小立方体的集合,以小立方体的顶点作为目标点,在每个目标点处对并联调整机构姿态逐一进行赋值,采用提出的容错原理进行运动学反解计算,并将分支杆是否超出行程,虎克铰、球铰和分支杆间是否发生干涉作为判断目标点是否在工作空间内的依据,所有可到达的小立方体顶点覆盖的空间区域即为调整机构在容错情况下的工作空间,结果显示故障情况下使用容错原理获得的工作空间明显小于正常工作空间,但均发生部分边界超出正常工作空间的现象,这是由于故障情况下动平台为到达期望位姿绕自身轴线进行转动调整,使得并联机构在该方向上运动范围增大所致,将射电望远镜工作在S频段和L频段时的最小工作空间与保障射电望远镜正常工作时副面调整范围进行对比分析,结果显示L频段和S频段故障情况下的最小工作空间存在交集,且该交集完全涵盖了保障射电望远镜正常工作副面所需的调整范围,即机构在副面工作空间任意位姿下发生故障后,采用容错方法所实现的工作空间均能满足副面指向调整的需要,验证了容错策略的正确性。该项研究提出了副面调整并联机构分支故障时的容错策略,并对其合理性进行了分析验证,研究结果对此类并联机构的分支故障调整及其工程应用具有重要指导意义。

引文