并联式车载稳定平台机构综合及其在非惯性系中的耦合动力学研究

Based on advantages of compact structure, high accuracy, fast dynamic response and easy to realize multi-axis synchronous of parallel mechanism, in allusion of limitations in studies of mechanism in parallel multi-axis self stabilization system, this project carries out type synthesis of parallel vehicle-based stabilized platform and coupling dynamics research in non-inertial system for road detection equipment. Firstly, the evaluation method of compensation ability of stabilized platform is proposed, and the synthesis principle of application-oriented lower-mobility parallel mechanism is laid out. Secondly, based on the intensive analysis of the derivation result of motion screw, the coupling motion relationship of parallel mechanism and vehicle’s disturbances are investigated. Thirdly, according to the dynamics principle of rigid body in non-inertial system, the dynamics model integrated input and output of the parallel mechanism and multi-dimensional disturbances of vehicle is built, and the coupling dynamics characteristics of the parallel vehicle-based stabilized mechanism in non-inertial are investigated. Lastly, the experimental prototype with independent intellectual property rights is manufactured. The research results will not only perfect the parallel mechanics theory, but also aim directly at the urgent need of road detection equipment, therefore, they have great value for research and practical application.

本项目基于并联机器人结构紧凑、运动精度高、响应速度快、易于实现多轴联动补偿等优点，针对现有机构学理论在并联多轴自稳定研究中的局限性，开展面向公路检测装备的并联式车载稳定平台机构综合及其在非惯性系中的耦合动力学研究。提出稳定平台补偿能力评价方法，制定面向应用的少自由度并联机构综合原则；深入分析刚体运动旋量求导结果，研究并联机构运动与车辆扰动之间的耦合运动关系；基于非惯性系刚体动力学原理，建立融合机构输入/输出与车辆扰动于一体的动力学分析模型，进而研究并联式车载稳定平台在非惯性系中的耦合动力学特性；在此基础上研制具有自主知识产权的稳定平台实验样机。研究成果不仅可进一步完善并联机构学理论，而且直接面向公路检测装备急需，具有重要的学术价值和工程意义。

随着高速公路由大规模建设向运营养护过渡，基于机器视觉的检测方法具有速度快、精度高、数据易于保存等优点被广泛应用于路面、桥梁、隧道病害检测。但是受路面颠簸、车流量影响等外部扰动，车辆会产生六个自由度运动，视觉系统与被测物的位姿无法保持恒定，影响图像采集与处理效果。并联机构易于实现空间多轴联动补偿，是研制面向公路检测用多轴稳定平台的理想机型。. 本项目针对并联式车载稳定平台评价指标与机构综合、非惯性系并联式稳定平台机构学数学建模与分析、并联式稳定平台样机研制与试验以及并联式车载稳定平台应用等四方面内容开展深入研究。提出车载稳定平台补偿能力评价方法，制定少自由度并联机构综合原则，并创新设计了两种新型少自由度并联机器人；建立了空间多刚体系统的伴随变换及伴随映射数学表达式，提出了并联式车载稳定平台在非惯性系下的耦合运动/动力学建模方法，开展不同路况下稳定平台的动力学特性分析及简化策略研究；制定车载稳定平台结构及运动参数，研制了并联机器人试验系统和大型直剪设备；基于并联式车载稳定平台建模分析理论，开展视觉系统优化建模与参数辨识研究，研制隧道智能检测系统，搭建数据采集与图像处理系统，并探索开展病害自动识别方法研究。. 研究成果获山西省技术发明二等奖1项、中国公路学会科学技术二等奖1项，发表学术论文9篇，授权国家专利14项，自主研制的并联机器人试验系统、隧道智能检测系统、大型直剪仪系统等均投入使用，取得了良好的经济与社会效益。