基于旋量理论的多连杆超声电机馈能悬架几何特征分析及其控制算法

Based on the algebraic screw linkage mechanism, a novel energy regenerative suspension is proposed for trucks. The suspension’s vertical vibration is translated to a rotation movement by a new designed multi-linkages and spherical hinges mechanism. Then ultrasonic motors are reversely used to transform mechanical energy to electric energy for the active suspension control. From the regular triangle model, mathematical models for n=2 and n→∞ are going to be deduced to analyze the transfer path and efficiency of the force. Then physical realization of models n=1 and n=0 will be discussed. At last a general mathematical model for the multi-linkages and spherical hinges can be built. The geometry kernel questions and its correlative dynamics nature will be studied by the screw matrix theory. So that a two input structure can be designed to build an inerter model. An ultrasonic motor model is added to complete the energy regenerative suspension model. Multi-body simulations will be performed to analyze suspension dynamics performances. Through the control algorithm design of the suspension displacement, velocity and acceleration, the frequency response and energy recycle efficiency can be calculated for this ISD active suspension. The rigid and flexible bodies will be compared too. An overall parallel subspace and local synergism optimization method is going to be used to perform MDO optimization for suspension parameters. Finally, the physical prototype will be built to perform the sinusoid, pulse and random road input tests for validation.

针对卡车能量再生技术，在代数螺杆机构基础上提出一种新型馈能悬架，通过连杆球铰机构将悬架垂向振动转化为旋转运动，逆向利用超声电机将机械能转化为电能以实现悬架主动控制。从典型的正三角形代数螺杆模型出发，推导n=2和n→∞时的数学模型，分析其力的传递路径及传动效率，并探求n=1和n=0时模型的物理可实现性。建立多连杆球铰机构的一般数学模型，借助旋量-矩阵方法分析其结构设计的几何学核心问题，及其反映出的运动学本质。进而利用双点输入结构的设计，获得与悬架振动加速度相关的惯容器模型。增加超声电机模型，建立完整的馈能悬架系统。利用多体仿真分析悬架动力学特性，设计超声电机的控制算法，建立包含悬架位移、速度、加速度三个控制量的ISD主动悬架、计算系统的频率响应、馈能效率，并进行刚体柔体模型对比。采用并行子空间结合局部协同寻优的方法，对悬架参数进行MDO优化。搭建物理样机并进行正弦、脉冲和随机路谱台架试验验证

以卡车悬架为研究对象，提出进行了以多连杆机构和超声电机为核心的馈能主动悬架设计理论和控制算法研究。以纯连杆球铰结构替代数螺杆机构，将悬架垂向振动转化为旋转运动，再利用超声电机的正逆压电效应实现能量再生和主动控制。.首先进行了两类运动转换结构的建模和动力学仿真，验证了以纯多杆模型代替连杆平板模型的假设，通过对三杆结构的拓展，获得了新结构一般模型的数学表述。再利用旋量-矩阵方法进行了运动学相关的几何特征分析，获得了悬架直线振动与电机旋转之间的传递函数。随后建立了超声电机三向模型，对整个系统的悬架特性尤其是附加的阻尼特性进行了分析，获得了典型振动工况下系统的频率响应、馈能效率等动力学指标。在此基础上，进行了悬架主动控制及能量再生的算法设计及优化。最后设计并试制11种不同结构的多连杆结构模型、2个型号的超声电机换能器样件，获得了一整套多连杆馈能悬架软硬件系统。完成了4杆和12杆结构耐久试验，利用自制的电动样车进行了4杆悬架系统的道路试验。仿真分析及试验验证结构均表明，所设计的悬架系统能够提供有效回收振动能量、改善悬架控制效果。.通过本项目的研究，设计了一种适合于卡车恶劣行驶环境的馈能悬架系统，结构简单可靠，制造维护成本低，在工程应用方面具有巨大的优势。理论研究中巧妙利用坐标变换，直接使用并联机构中的旋量理论进行悬架位姿计算，从而搭建了从机器人设计到悬架控制的桥梁。在几何特征分析过程中发现，驱动杆件的运动包络面为单叶双曲面，故而可以采用其张量作为核心参量，表征运动关系，有利于降低悬架控制模型状态变量的维数。