一种无传统防扭力臂的直升机旋翼操纵机构位置解分析

doi:10.3901/JME.2024.15.071

机械工程学报 ›› 2024, Vol. 60 ›› Issue (15): 71-79.doi: 10.3901/JME.2024.15.071

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一种无传统防扭力臂的直升机旋翼操纵机构位置解分析

胡波^1,2, 高添^1,2, 胡国烽^1,2, 李涛^1,2, 赵金君^1,2

1. 燕山大学机械工程学院秦皇岛 066004;
2. 燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室秦皇岛 066004

收稿日期:2024-05-08 修回日期:2024-06-12 出版日期:2024-08-05 发布日期:2024-09-24
作者简介:胡波(通信作者)，男，1982年出生，教授，博士研究生导师。主要研究方向为机器人机构学。E-mail：hubo@ysu.edu.cn
高添，男，1992年出生，博士研究生。主要研究方向为混联机构理论。E-mail：tgao_58@163.com
胡国烽，男，1999年出生，硕士研究生。主要研究方向混联机构理论。E-mail：hgf19990804@163.com
李涛，男，2001年出生，硕士研究生。主要研究方向为并联机构理论。E-mail：1796158401@qq.com
赵金君，男，1995年出生，博士研究生。主要研究方向为混联机构理论。E-mail：542814391@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金面上基金(52275033)资助项目。

Displacement Analysis of a New Type of Helicopter Rotor Control Mechanism without Traditional Non-rotating Scissor

HU Bo^1,2, GAO Tian^1,2, HU Guofeng^1,2, LI Tao^1,2, ZHAO Jinjun^1,2

1. School of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004;
2. Hebei Provincial Key Laboratory of Parallel Robot and Mechatronic System, Yanshan University, Qinhuangdao 066004

Received:2024-05-08 Revised:2024-06-12 Online:2024-08-05 Published:2024-09-24

摘要/Abstract

摘要： 直升机旋翼操纵机构是一种比较复杂的混联机构，此类混联机构的整机精准运动学全解研究尤为重要。提出一种新型的旋翼操纵机构，该机构采用一种2SPS+RPU+PS机构作为并联驱动模块，从而省去了传统机构中的防扭力臂，以该机构为例给出了此类旋翼操纵机构的位置解全解。首先，分析了旋翼操纵机构约束力/矩，计算了其自由度。其次，通过理清机构中的几何和尺寸约束关系，得到了机构的约束方程。通过约束方程建立起桨距角和旋转倾斜盘位姿参数的耦合关系，结合Sylvester消元法得到了求解旋转倾斜盘位姿的解析模型，进而得到整体机构的运动学反解。再次，采用消元法求解了2SPS+RPU+PS机构的位置正解封闭解，通过上层机构的运动传递关系，得到了三个桨距角的表达式，从而完成了整体机构正解分析。最后，给出机构在一般位形下的位置解算例，实现了旋翼操纵机构的位置正反解精准求解。该研究为旋翼操纵机构的位置解研究提供了参考。

关键词: 旋翼操纵机构, 混联机构, 运动学, 正解, 反解

Abstract: The helicopter rotor control mechanism is a type of relatively complex hybrid mechanism, and the research on the complete kinematics of this type of hybrid mechanism is particularly important. A new type of helicopter rotor control mechanism is proposed, which uses a 2SPS+RPU+PS mechanism as a parallel driving module, eliminating the non-rotating scissor in traditional mechanisms. Taking this mechanism as an example, a complete solution to the displacement of this class of control mechanism is provided. Firstly, the constraint forces/torques of the control mechanism is analyzed, and its degree of freedom is calculated. Secondly, by clarifying the geometric and dimensional constraints in the mechanism, the constraint equations of the mechanism are obtained. The coupling relationship between the pitch angles of three blades and the pose parameters of the rotating swashplate is established through constraint equations. Combined with the Sylvester elimination method, an analytical model for solving the pose of the rotating swashplate is obtained, and then the inverse displacement of the overall mechanism is obtained. Once again, the closed form solution of the forward displacement of the 2SPS+RPU+PS mechanism is solved using the elimination method. Through the motion transmission relationship of the upper mechanism, the pitch angles of the three blades are obtained, and thus the forward displacement of the overall mechanism analysis is completed. Finally, an example of the displacement analysis of the mechanism in a general configuration is provided, achieving accurate solutions of the forward and inverse displacement of the control mechanism. This study provides a reference for the displacement research of helicopter rotor control mechanisms.

Key words: rotor control mechanism, hybrid mechanism, kinematics, forward displacement, inverse displacement

中图分类号:

TG156

胡波, 高添, 胡国烽, 李涛, 赵金君. 一种无传统防扭力臂的直升机旋翼操纵机构位置解分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(15): 71-79.

HU Bo, GAO Tian, HU Guofeng, LI Tao, ZHAO Jinjun. Displacement Analysis of a New Type of Helicopter Rotor Control Mechanism without Traditional Non-rotating Scissor[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(15): 71-79.

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Displacement Analysis of a New Type of Helicopter Rotor Control Mechanism without Traditional Non-rotating Scissor

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