第1章概述

1.1FAST的由來

1.2FAST的主體結構與工作原理

1.3並聯機構

1.4索驅動並聯機構

1.5小結

參考文獻

第2章大跨度索並聯機構的綜合建模方法

2.1大跨度索並聯機構研究概況

2.2單索模型及大跨度索並聯機構建模

2.2.1單索精確懸鏈線建模方程

2.2.2單索拋物線建模方程

2.2.3單索直線建模方程

2.2.4大跨度索並聯機構的建模求解方法

2.3模型簡化及誤差分析與補償

2.3.1單索建模誤差分析

2.3.2大跨度索並聯機構建模誤差分析與補償

2.4FAST饋源一級支撐繫統建模實例

2.4.1FAST相似模型中的6索並聯機構

2.4.2FAST原型中的6索並聯機構

2.5小結

參考文獻

第3章大跨度索並聯機構的靜力學特性分析

3.1大跨度索並聯機構的索拉力特性指標

3.1.1大跨度索並聯機構的局部索拉力性能指標

3.1.2大跨度索並聯機構的工作空間內全局索拉力性能指標

3.2終端誤差與力特性分析

3.2.1大跨度索並聯機構的誤差分析

3.2.2誤差空間內的力學特性研究

3.3FAST饋源一級支撐繫統相似模型的力特性分析

3.3.1兩條特定軌跡下的力特性及姿態研究

3.3.2兩條特定軌跡下的誤差研究

3.3.3兩條特定軌跡下的誤差空間內力特性研究

3.4小結

參考文獻

第4章大跨度索並聯機構的靜剛度分析

4.1大跨度索並聯機構的簡化靜剛度分析

4.2基於相似理論的靜剛度相似方法

4.2.1相似基本方法描述

4.2.2大跨度索並聯機構的靜剛度相似模型建立方法

4.3FAST饋源參選4索方案剛度相似模型實驗

4.3.1大跨度索並聯機構靜剛度相似模型

4.3.2大跨度索並聯機構靜剛度相似實驗

4.4小結

參考文獻

第5章索並聯機構的尺度綜合優化設計

5.1性能指標體繫及優化方法

5.2基於力特性的大跨度索並聯機構尺度綜合設計

5.3基於剛度特性的大跨度索並聯機構尺度綜合設計

5.4FAST饋源一級支撐6索並聯機構的優化分析

5.4.1基於力學特性的尺度優化

5.4.2基於靜剛度特性的尺度優化

5.4.3基於邊界跟蹤角度的尺度優化

5.4.4參數綜合優化

5.5小結

參考文獻

第6章精調平臺並聯機構的剛體動力學建模及驗證

6.1並聯機構的動力學建模方法

6.2FAST饋源精調平臺運動學分析

6.3FAST饋源精調平臺動力學建模

6.4動力學驗證方法及實驗

6.5小結

參考文獻

第7章剛柔串聯耦合繫統動力學建模方法

7.1柔性支撐機器人及動力學建模

7.2索並聯機構的彈性動力學模型

7.3FAST風載模型

7.4剛柔耦合特性分析及模型聯立

7.5小結

參考文獻

第8章柔性支撐並聯機器人的抑振控制

8.1柔性支撐機器人的抑振控制方法

8.2饋源支撐繫統的軌跡規劃

8.3軌跡補償抑振控制

8.3.1軌跡補償抑振方法

8.3.2饋源支撐繫統1∶15縮尺模型抑振實驗

8.4內力抑振控制

8.4.1內力抑振方法

8.4.2抑振控制仿真實驗

8.5小結

參考文獻

第9章並聯機構的慣量匹配

9.1慣量匹配及並聯機構的關節空間慣量矩陣

9.2Stewart並聯機構關節空間慣量矩陣

9.2.1姿態分析

9.2.2速度分析及支鏈雅克比矩陣

9.2.3加速度分析

9.2.4力繫分析

9.2.5關節空間慣量矩陣

9.3並聯機構的等效慣量

9.4並聯機構的慣量匹配準則

9.5小結

參考文獻

第10章FAST饋源支撐繫統縮尺模型實踐

10.1縮尺模型的機械結構

10.1.1精調Stewart平臺

10.1.2AB轉臺

10.1.3繩索和電纜收放機構

10.1.4索塔結構

10.1.5機械繫統的標定

10.2縮尺模型的驅動控制繫統

10.3大跨度索並聯機構的控制實驗

10.3.1索並聯機構的開環控制實驗

10.3.2索並聯機構的閉環控制實驗

10.4天文觀測實驗

10.5小結

“十三五”國家科技創新規劃的一個重要內容是增強原始創新，持續加強基礎研究，布局建設重大科技創新基地，力爭在更多領域引領世界科學前沿發展方向。基礎研究離不開科學工程和裝備的支撐，大科學工程被稱為“國之利器”，是科技強國的標志性工程。500m口徑球面射電望遠鏡（fivehundredmeter aperture spherical radio telescope，FAST）是我國大科學工程的代表性項目，在2020年1月份順利通過國家驗收。為了保證世界一流的探測能力和靈敏度，FAST要同時實現500m的超大尺度反射面和毫米級信號接收精度，其工程研究和建設過程面臨了許多富有挑戰性的理論和技術難題。
本書作者團隊在唐曉強教授的帶領下，全面參與了中科院國家天文臺牽頭的後一輪FAST完整縮尺模型的建設和研究。重點圍繞由大跨度索驅動和剛性並聯機構組成的饋源支撐繫統，展開了優化設計、建模仿真和精度保證方面的工作，為FAST原型機的高靈敏度奠定了堅實的基礎。饋源支撐繫統是FAST三大創新之一，直接決定其精度和性能。
並聯機構是針對串聯機構缺點而提出的一種新型機構，具有剛度高、動態特性好和載荷自重比大的核心優勢，應用前景廣闊。其中，並聯主軸頭和高速分揀機器人已經獲得成功商業應用。索驅動並聯機器人是繩索驅動和並聯構型有機融合而成的一類高性能機器人，繼承了並聯機構的高動態特性和高承載能力，同時獲得了工作空間、輕量化和效能的大幅提升。索並聯機器人體現了機器人裝備剛柔融合的前沿趨勢，反映出先進的輕量化設計理念，已將傳統工業機器人的工作空間和負載擴展了兩個數量級以上，同時具備超高動態特性。索驅動及剛性並聯機構已經成為高端裝備和機器人領域的研究熱點和前沿方向。
本書繫統地講述了FAST饋源支撐繫統研發所面臨的主要問題、解決思路及方案，詳細介紹了索驅動及剛性並聯機構的優化設計理論、動力學建模方法和抑振控制技術等方面的研究。其中，第1章介紹FAST項目及並聯機構； 第2~4章研究大跨度索並聯機構的建模、靜力學特性和剛度分析； 第5章完成大跨度索並聯機構的綜合優化設計方法研究； 第6章和第7章建立索驅動及剛性並聯機構的動力學模型，並提出一種剛柔串聯耦合繫統的高效動力學建模方法； 第8章主要進行剛柔串聯耦合繫統抑振控制研究； 第9章面向工程應用，提出一種並聯機構的慣量匹配指標和方法，服務於機器人驅動匹配和電機選型； 第10章在前述研究的指導下，完成整個FAST縮尺模型饋源支撐繫統的研制任務。第2~5章和第10章由唐曉強和姚蕊著，其餘章節由唐曉強和邵珠峰著。
本書是圍繞FAST項目的部著作，同時詳細地介紹了索驅動和剛性並聯機構的研究，可作為機械工程相關領域科技工作者的參考書，希望本書能夠為高端裝備的理論研究和樣機開發提供靈感和思路； 本書可作為機械工程專業研究生和本科生的輔助教材或參考書，也適合廣大科技愛好者閱讀，了解我國FAST大科學工程和索驅動及剛性並聯機構的研究進展。
由於作者水平所限，書中存在錯誤和不足在所難免，敬請讀者批評指正。希望讀者與我們共同推動索驅動及剛性並聯機構的理論研究和工程應用，促進高端裝備的原始創新，服務於我國制造業的轉型升級。

2020年3月於清華園

唐曉強

邵珠峰

姚蕊