关键词： 空间柔性机械臂   关节间隙   区间不确定性模型   动力学行为   灵敏度  

摘要： 空间机械臂是一种高非线性、强耦合、时变的多体动力学系统。空间机械臂主要工作于外太空,不受地球大气环境和重力的影响,方便在大范围空间内运动,操作便捷,已成为空间安装、维修的主要设备。空间机械臂在太空极大温差环境的影响下,导致空间机械臂杆自身的一些特征参数发生了一定的区间变化,如弹性模量、质心位置、臂杆长度、密度等都会成为变化的区间参数;在实际的运动过程中,空间柔性机械臂的运动变形是自身大范围转动和小变形振动的耦合;同时空间柔性机械臂在制造、装配等过程中存在着误差,使得空间柔性机械臂的关节连接处存在着运动副间隙,空间机械臂自身的运动在两个因素的影响下变得更加复杂,其动力学行为也变得更加难以分析。本文主要针对含间隙空间柔性机械臂不确定性建模及运动过程中的不确定性动力学特性进行研究。本文结合柔性多体动力学和分析力学的相关理论,针对空间运动中柔性机械臂产生的弯曲变形、轴向变形和剪切变形,利用欧拉-伯努利梁模型描述运动过程中产生的振动变形;同时考虑柔性机械臂系统存在的运动副间隙,建立符合实际运动过程的三状态碰撞间隙模型,利用状态函数描述运动副间隙的碰撞和分离过程;利用拉格朗日方程,忽略系统耦合项和非线性项,推导出含间隙刚柔机械臂确定性模型。本文的含间隙刚柔机械臂确定性模型,克服了传统模式下无法描述运动副间隙的问题,为精确描述空间机械臂的运动过程提供了理论基础。本文分析了在空间环境下柔性机械臂系统在运动中可能存在的不确定因素,引入区间不确定性模型,在含间隙刚柔机械臂确定性模型的基础上,建立了含间隙刚柔机械臂区间不确定性模型。利用区间算法求解规则,通过对比分析切比雪夫和泰勒扩张函数的逼近结果,优选出切比雪夫扩张函数作为本文的区间算法。同时根据建立的刚柔机械臂不确定性动力学模型,利用切比雪夫扩张函数,依据建立的区间算法流程,分析了柔性机械臂材料密度、柔性机械臂长度、关节间隙宽度、接触碰撞刚度系数等区间参数影响下的柔性机械臂不确定性动力学行为;同时根据系统灵敏度分析方法,结合切比雪夫区间算法,建立了求解区间不确定性系统灵敏度的切比雪夫方法,分析了柔性机械臂的长度和关节间隙宽度对不确定性柔性机械臂系统灵敏度的影响,为后续的空间柔性机械臂的可靠性分析和优化设计提供理论和数据支撑。

关键词： 动力机械设备   隔振   控制   船舶  

摘要： 传统船舶动力机械设备的隔振控制方法,存在震动动力参量感应灵敏度低,导致振动参量分析出现误差,无法很好的对动力设备产生的振源进行控制。为了有效解决此种问题,本文提出船舶动力机械设备隔振控制方法研究。首先对船舶动力机械设备机械宁动力学模型计算,根据动力模型获得的参量,对其进行振动能量的计算;最后,通过振动能量值,完成对其控制模型的计算,得到最佳的控制参量。通过设计实验对提出方法进行验证,证明提出方法对船舶动力机械设备产生的振源,具有精准隔振控制的特性。

关键词： 喷涂工程车   轨迹跟踪   自抗扰控制   自适应迭代学习控制   液压混合动力   多目标优化   等效燃油消耗最小策略   随机模型预测控制  

摘要： 高空喷涂工程车在作业过程中,存在喷涂机械臂的轨迹跟踪控制精度不高,整车运行效率低、燃油消耗高、污染较严重等问题。本文从实际应用角度出发,主要针对喷涂机械臂的自动轨迹跟踪控制和整车动力系统的优化控制进行了较深入的研究,主要研究内容包括以下几个方面:针对喷涂机械臂作业中存在的柔性变形、液压驱动系统参数不确定和外部干扰等问题,研究了喷涂机械臂的轨迹跟踪高性能控制策略。首先,考虑机械臂喷涂一次的规划运动轨迹,分别设计了L2增益干扰抑制、双闭环自抗扰和滑模自抗扰三种轨迹跟踪控制策略。L2增益干扰抑制控制能够将机械臂挠度和外部干扰对轨迹跟踪性能的影响抑制在L2增益水平下,而双闭环自抗扰和滑模自抗扰两种控制由于采用了扩张状态观测器,可实现挠度、参数摄动及扰动的全补偿,进一步提高了轨迹跟踪控制精度。其次,考虑整个喷涂过程实际上是重复的规划运动轨迹跟踪,机械臂喷涂过程可看成是在有限时间间隔内完成一次规划轨迹跟踪任务并迭代操作的动态系统,提出了一种可以处理任意系统初始条件和不一致迭代参考轨迹的自适应迭代学习轨迹跟踪控制策略,以实现整个喷涂质量的进一步提高。该策略基于机械臂动力学模型,使用最优控制方法在有限时间内重构参考轨迹,使得机械臂可以在不重置初始条件的情况下进行轨迹跟踪。利用迭代轴和自适应调节控制方法处理系统未知的时变参数,实现有限时间轨迹跟踪收敛。针对整机在喷涂作业过程中的势能和动能的回收和再利用问题,分别设计了机械臂势能能量回收系统和整车的液压混合动力系统,研究了根据机械臂运行工况确定势能回收系统中蓄能器参数及系统关键元件参数优化问题。在优化作业车液压混合系统过程中,针对大量耦合设计参数、设计目标之间的冲突和非线性约束,提出了一种改进的多目标粒子群优化算法,来获取系统关键元件参数优化的Pareto解集,为液混合动力总成设计提供宽泛的选择。为进一步提升整车的燃油经济性,研究了液压混动力系统的能量管理优化控制问题,分别设计了基于逻辑门限、基于改进多目标粒子群优化等效因子的等效燃油消耗最小策略和基于马尔科夫链预测模型的随机模型预测控制三种能量管理控制策略。同时,在具有基于随机模型预测控制的上层能量管理策略的分层控制架构中,考虑了下层发动机转速跟踪控制,结合模型预测控制与负载观测器设计了发动机转速跟踪控制器。为了充分验证所提出的机械臂轨迹跟踪控制策略的实用性和有效性,对所设计的轨迹跟踪控制策略均进行了仿真和实验验证。优化的作业车动力系统及三种能量管理控制策略的有效性和实用性,也分别通过仿真和实验平台进行了验证。

关键词： 医用柔性机械臂   耦合动力学模型   关节摩擦   齿侧间隙   臂杆柔性  

摘要： 医用机械臂为肿瘤放射治疗系统中的一个重要组成部分,为了使放射治疗有较好的效果,医用机械臂系统需要有较高的控制精度及摆位精度,而建立准确的医用机械臂的动力学模型并进行动力学特性进行分析和预测,对提高医用机械臂的控制精度、摆位精度及动力学性能起着至关重要的作用。机械臂本身包含的一些非线性因素会对其动力学特性产生影响,建模时应该考虑。因此,本文以臂杆具有柔性的医用机械臂为研究对象,建立了包含关节摩擦,关节处RV减速器中啮合间隙、啮合阻尼、时变啮合刚度及大小臂柔性变形这些非线性参数的医用机械臂耦合的动力学模型,并进行了相应的动力学特性分析,最后对建立的耦合动力学模型进行了仿真实验验证,证明了模型正确,并做了进一步的分析,为运动较多及负载变化较大的机械臂的控制系统搭建及设计提供理论支持,具体如下:(1)首先对医用机械臂进行了适当的简化,运用达郎伯定理进行受力分析求得关节铰接处接触力,并基于库仑摩擦模型求出关节摩擦扭矩,然后,基于拉格朗日方程建立了无摩擦及含关节摩擦的机械臂动力学模型,对模型进行了数值求解,对比分析了关节摩擦的影响。(2)对关节处传动部件RV减速器进行了受力分析,建立了考虑中心轮与3个行星轮之间的啮合间隙、啮合阻尼、时变啮合刚度的RV减速器动力学模型,并进一步建立了包含RV减速器的医用机械臂动力学模型,通过数值求解分析得出,啮合间隙、啮合阻尼、时变啮合刚度使减速器末端输出扭矩及机械臂角加速度出现了较高频率的波动,间隙越大,齿轮啮合冲击越大,波动的幅值也增大,波动也更加剧烈。(3)基于假设模态法及拉格朗日方程建立了医用柔性机械臂的动力学模型,结合第二章及第三章所建立的关节摩擦及RV减速器动力学模型,进一步建立了医用柔性机械臂耦合动力学模型,并进行了数值求解分析,得出在所考虑的非线性因素耦合影响下,医用机械臂角速度、角加速度及关节接触力都出现了较高频率的剧烈波动,关节摩擦的增加可使波动减弱,但会造成系统的能量损失,角速度、角加速度的数值也相应减小。(4)利用Matlab和Adams两种仿真软件对医用机械臂耦合动力学模型进行了仿真实验验证,证明了模型建立准确。同时还对耦合影响下的医用机械臂末端轨迹及不同负载下的角加速度进行了仿真实验分析。得出,耦合因素影响下,末端运行轨迹出现偏差,摩擦越大,偏差越大,末端负载的增大,造成关节处摩擦也增大,导致系统能量损耗增加,造成角加速度的波动减弱,幅值减小。

关键词： 擒纵机构   振动周期   动力学   齿侧间隙  

摘要： 机械式时间控制器是载人航天工程返回舱在返回过程中使用的关键延时装置,该延时装置不仅能够在冲击、振动环境下可靠的工作,而且能够满足对时间控制的要求。克鲁伯擒纵调速器作为整个机械式时间控制器的重要组成部分,其动力学特性对整机的性能有着至关重要的影响,因此,本文针对影响机械式时间控制器走时精度的因素,建立了克鲁伯擒纵调速器的虚拟样机进行了动力学仿真,具体内容如下:首先,分析了机械式时间控制器每个组成部分的特点及其工作原理,说明了克鲁伯擒纵调速器在机械式时控器中的重要性;分析了振动系统的振动周期,并采用ANSYS Workbench软件对游丝的刚度进行了仿真分析;通过实验测试了发条力矩变化,为动力学仿真提供依据。其次,在ADAMS软件中建立了克鲁伯擒纵调速器的虚拟样机,对游丝刚度、平衡摆转动惯量和驱动力矩对克鲁伯擒纵调速器振动周期的影响进行了深入仿真分析,并通过实验验证了动力学仿真结果的正确性。最后,研究了齿轮副齿侧间隙在高低温环境下的变化,计算了时控器所有齿轮副齿侧间隙在热力作用下的变化量,分析了齿轮副在工作过程中发生啮合干涉的可能性。采用ANSYS Workbench对齿轮副的齿侧间隙进行了热力学仿真,表明有限元方法也是可行的,也为今后研究其他齿轮副齿侧间隙变化提供理论依据。

关键词： 仿人机械臂   气动肌肉   奇异位形   动力学特性   模态分析   安全可靠性  

摘要： 机器人技术作为当今世界的前沿科技被广泛应用于工业制造、生活服务、医疗卫生及国防军事等众多领域。仿人机器人是机器人技术众多发展方向中的研究热点和难点。仿人机械臂是仿人机器人最主要的操作部件,需要具备优良性能以适应不同操作环境。新型柔性驱动器气动肌肉具备较多优点,适用于驱动仿人机械臂以降低其制造、维护成本,提升其柔顺性、灵活性和输出力自重比。目前国内对气动肌肉驱动的仿人机械臂的研究主要集中于设计制造和运动控制领域。仿人机械臂在工作过程中会受到激励而产生振动,一定程度上其精准度和安全可靠性会被影响。传统的刚性多体动力学研究方法难以准确描述具有轻质杆件和柔性驱动器的仿人机械臂的性质。因此通过刚柔耦合动力学方法开展气动肌肉驱动的仿人机械臂的动力特性研究和分析十分必要。本论文针对一种气动肌肉驱动的平面两自由度仿人机械臂进行研究。首先,通过D-H法对仿人机械臂连杆坐标系进行齐次变换建立其正运动学方程。根据正运动学方程得出仿人机械臂末端速度雅可比矩阵。通过速度雅可比矩阵奇异性核算此仿人机械臂的奇异位形。基于数学软件MATLAB Robotics Tools编程、计算绘制其末端工作空间。其次,通过能量法建立仿人机械臂的动力学模型,动力学模型中考虑了驱动器的质量分布及其驱动仿人机械臂运动的方式并保留系统零次刚柔耦合项。根据动力学模型和汉密尔顿原理建立此仿人机械臂的特征值方程。基于数学软件Wolfram Mathematica 9编写此仿人机械臂特征值方程的解算程序。利用解算程序近似计算和对比杆件横截面形状分别为圆形、方形的气动肌肉仿人机械臂在两个关键的奇异位形间运动时的工作空间内前6阶横向弯曲振动固有频率。最后,利用有限元软件ANSYS建立此仿人机械臂的有限元模型。通过组合不同末端荷载和关节角度仿真其在工作过程中可能遇到的握手、持物掉落和提拿重物应用场景,并分别进行静力学分析和模态分析。针对仿真结果中结构的薄弱环节提出基于安全可靠性考虑的改进建议,并提出一种肘关节防护零件的概念设计。

关键词： 七自由度冗余机械臂   运动学   奇异位形   动力学   轨迹规划  

摘要： 随着机器人技术的不断发展,国内外对七自由度冗余机械臂的研究愈来愈深入,推动了协作型机械臂的发展。相比传统机械臂,七自由度冗余机械臂仅多了一个自由度就具备很好的灵活性及容错性,因此冗余机械臂可以在完成期望任务的同时利用其冗余度实现避免关节极限、规避奇异位置、优化力矩等性能指标。本文主要针对七自由度冗余机械臂的运动学、奇异位形、动力学及轨迹规划问题进行研究,并在计算机软件中构建仿真环境完成算法验证。论文研究内容如下:（1）七自由度冗余机械臂运动学建模及分析。首先,采用D-H法建立机械臂坐标系;然后,采用解析法推导冗余机械臂逆解方程;最后,在MATLAB中搭建虚拟仿真平台验证逆运动学方程推导的正确性。（2）七自由度冗余机械臂工作空间求解和奇异位形分析。首先,基于蒙特卡洛法在MATLAB中将机械臂工作空间进行可视化,并采用极值算法提取边界;然后,利用雅可比矩阵计算冗余机械臂的所有奇异位形,采用可操作度和条件数两个灵活性指标描述机械臂奇异情况;最后,使用机器人工具箱绘制机械臂奇异位形处末端运动学可操作度椭球。（3）七自由度冗余机械臂动力学建模及仿真。首先,采用牛顿-欧拉法建立冗余机械臂动力学模型,求取给定的轨迹下各关节所需力矩;然后,基于ADAMS与MATLAB联合仿真检验模型正确性;最后,基于惯性椭球原理,求解并绘制机械臂奇异位形处可视化动力学椭球并进行动力学性能分析。（4）七自由度冗余机械臂轨迹规划。首先,利用工具箱生成可视化的机械臂模型,利用关节空间的五次多项式插值和笛卡尔空间的直线插补两种方式规划相同两点之间轨迹;然后,采用PID控制器跟踪控制冗余机械臂关节轨迹,得到关节角跟踪轨迹和控制误差曲线;最后,使用MATLAB碰撞检测工具箱对机械臂和环境物体进行碰撞检测,通过非线性控制器控制冗余机械臂生成无碰撞轨迹。图[70]表[11]参[67]

关键词： 逆动力学模型   高斯过程回归   高斯混合模型   离线建模   在线建模  

摘要： 精确的机械臂逆动力学模型可以提高机械臂的控制精度,具有广泛的应用价值及研究意义。传统的基于动力学原理的建模方法无法明确表述机械臂系统中存在的未知非线性,导致建立的模型精度不高。基于数据驱动的建模方法直接学习传感器数据得到逆动力学近似模型,其中高斯过程回归(Gaussian Process Regression,GPR)凭借着预测精度高、输出具有概率意义等特性,广泛应用于机械臂逆动力学建模。标准GPR算法的计算复杂度与训练样本个数的立方成正比,而预测误差与训练样本数成反比,随着模型预测精度的提升,模型训练和预测速度必将显著下降。针对此问题,本文提出基于局部GPR的离线建模算法以及自适应的局部GPR在线建模算法,实现对机械臂逆动力学快速、精确以及在线建模的目的。本文的主要研究工作如下:(1)预处理。针对机械臂关节运动状态量包含关节角度、角速度和角加速度三个量纲的问题,对其进行标准化处理。为了减少GPR模型的超参数,对关节驱动力矩采用去均值化处理。(2)机械臂逆动力学离线建模。针对标准GPR算法处理大规模训练样本时计算量过大的问题,本文提出一种基于概率模型划分的局部GPR建模方法:通过高斯混合模型(Gaussian Mixture Model,GMM)聚类将训练样本划分为多个局部子集,对每个局部子集建立单独的GPR模型。在预测阶段,以测试样本隶属于各个局部模型的后验概率作为权值,对所有的局部预测值进行加权计算得出最终的预测值。实验结果表明,本文方法比标准GPR建模方法的预测速度更快、预测精度更高。(3)机械臂逆动力学在线建模。由于机械臂的动力学特性会随着内部结构和外部环境的变化而改变,离线模型的预测精度会随着时间的推移而降低。为了解决这一问题,本文提出一种基于局部GPR的在线建模方法:首先提出一种在线稀疏化策略选择性的增加新样本和删除旧样本,以控制局部模型的复杂程度,并确保更新后的模型能够充分反映当前的动力学特性;然后通过递推更新的方式对GMM的参数以及局部GPR模型进行更新,从而降低模型更新过程的计算量。实验结果表明,本文方法能够快速、精确的建立机械臂逆动力学在线模型。本文采用Sarcos、SL＿Sarcos和Barrett三种公开的数据集评估本文所提出的基于局部GPR的机械臂逆动力学离线建模算法和在线建模算法。实验结果表明,与其他文献相比,本文所提两种方法建立的模型具有更高的预测精度。

摘要： 全球工业动力系统领导者菲亚特动力科技(FPT Industrial)在2020上海宝马工程机械展(bauma CHINA)中举办了F28发动机国内首发及新品揭幕仪式,这意味着该产品在国内正式亮相.F28发动机具有柴油和天然气两种版本,可满足用户对小型化、高生产力和环境友好型等特性的需求.

ISBN: (纸本)9787569317091