摘要： 随着社会的进步与发展,农业动力机械在现代农业中发挥着非常重要的作用.然而,其能源消耗和排放问题日益引起人们的关注,对环境造成不可忽视的影响.

关键词： 水下机械臂   涡激振动   动力学分析   仿真计算  

摘要： 随着对海洋的不断探索与发展，水下机械臂被广泛应用于水下采集、海洋探测、以及设备维护等工作。水下机械臂在水下环境工作过程中不仅要克服阻力、附加质量力以及浮力，还要克服机械臂与流体相对运动引起的涡激振动的影响，这无疑为水下机械臂的精准控制提高了难度。针对以上问题，本文开展基于涡激振动的水下机械臂动力学分析。本文的主要研究内容如下：　　首先，对单自由度的水下机械臂进行分析，推导出由于涡激振动效应产生的升力和阻力计算公式，提出待求解的阻力系数Cd和升力系数Cl。再根据水动力学推导出其他水动力及水动力矩的计算公式。根据Lagrange方程法，建立单自由度机械臂在空气中的动力学模型。再与前面建立的水下机械臂水动力学模型结合，得到机械臂在流体环境下条件下的动力学模型。　　然后，对水下机械臂进行了仿真计算，探究水流方向与水下机械臂转速对流场分布、压力系数、阻力系数和升力系数的影响。结果表明，在流体流经水下机械臂时，逆向水流比顺向水流对水下机械臂阻力系数产生更大的影响，逆向水流下时，阻力系数的变化范围是顺向水流时的2-4倍，阻力系数变化随水下机械臂与水流的相对速度增大而增大;逆向水流下水下机械臂的升力系数受到的影响比顺向水流下的大，且机械臂旋转角在45°左右时，升力系数会出现减小趋势变缓甚至增大的趋势;在对转速不同时的水下机械臂进行仿真模拟得到的水动力系数进行标准化处理，并对其曲线进行拟合，得到具体的升阻力系数表达式。　　最后，利用Matlab软件中Simulink模块搭建水下机械臂动力学模型，并进行动力学模拟仿真。结果表明，利用Fluent软件仿真得到的水动力系数计算出的升阻力力矩值与利用Matlab仿真得到的力矩值最大误差为2.96%，验证了搭建的Simulink水下机械臂动力学模型的准确性;探究在不同流体条件下对水下机械臂的关节力矩的影响，浮力矩、阻力矩、附加质量力矩、升力矩对水下机械臂关节力矩的影响从大到小;探究涡激振动对水下机械臂旋转角度变化曲线的影响，是否考虑涡激振动下的旋转角度变化曲线与理论变化曲线分别为7.73%-10.03%与10.01%-12.88%，在考虑涡激振动对水下机械臂的影响之后，对水下机械臂旋转角度的精确度能提高2%-3%。

关键词： 桁架机械手   动力学建模   时间最优路径参数化   有限元分析   拓扑优化  

摘要： 在现代工业自动化中,带传动十字型桁架机械手因其成本低和速度快等优势得到了广泛应用。然而,高速运行时产生的振动不仅影响其性能,还缩短了同步带的使用寿命,且系统中的非线性摩擦会导致末端执行器的位置偏差。因此,表征机械手的动态性能至关重要。本文结合拉格朗日法和时间最优路径参数化(Time-Optimal Path Parameterization,TOPP)方法,对带传动十字型桁架机械手进行研究,建立了机械手的动力学模型,并实现了机械手在预定路径下的时间最优运动。主要研究内容和结论如下: (1)带传动十字型桁架机械手动力学模型的建立与验证。通过拉格朗日法建立了该机械手的动力学模型,描述了其动态特性。随后,基于Simulink对模型进行仿真验证,并引入比例-积分-微分(Proportional Integral Derivative,PID)控制系统以提高控制精度,同时结合TOPP方法实现了机械手在预定路径下的时间最优运动。仿真结果表明,机械手最优运行时间为0.9794 s,优化后的模型轨迹与预定路径位置偏差小于0.01 mm,满足高精度定位要求,验证了动力学模型的准确性以及TOPP方法在速度优化中的有效性。 (2)仿真与试验验证机械手运行稳定性。首先,利用ADAMS软件对机械手进行了动态仿真,结果表明运动轨迹与预期基本吻合,位置偏差小于0.01 mm,且伺服电机的最大转矩未超过额定值,确保了机械手操作的安全性与稳定性;随后,通过ANSYS Workbench进行了瞬态动力学与模态分析,揭示了机械手各部件在不同位姿下的应力和应变情况,结果表明各部件的应力和应变均未超过允许范围,验证了结构的可靠性和稳定性;模态分析结果显示,机械手的1阶固有频率(26.139 Hz)远高于同步带轮的激振频率(6.25 Hz),表明共振风险较低。最终的实际测试结果进一步验证了仿真分析的准确性,结果表明机械手的定位精度和重复定位性能均满足工业应用的高精度要求。结合仿真与试验,本研究力求全面地评估机械手的动态性能,为其在复杂工况下的稳定运行提供了理论和试验依据。 (3)机械手结构优化设计。通过拓扑优化对带传动十字型桁架机械手进行轻量化设计,在保证结构强度和刚度的前提下,优化了材料的分布和利用率,并对机械手优化前后的力学性能和振动特性进行对比分析,验证了轻量化设计的可行性。结果表明,优化后机械手的横梁和竖梁质量分别减少了15.9%和15.5%,有效实现了轻量化。瞬态动力学和模态分析结果显示,优化后的结构应力和应变均有所降低,1～6阶振动频率提升了5%～13.5%,表明优化设计在结构稳定性和振动性能方面取得了显著改进。 本课题建立了带传动十字型桁架机械手的动力学模型,采用TOPP方法实现了机械手在预定路径下的时间最优运动,并通过仿真与试验验证了动力学模型的准确性及机械手运行的稳定性,最后应用拓扑优化对机械手进行了轻量化设计,为带传动桁架机械手的设计与应用提供了一定的理论依据。

关键词： 绝对节点坐标法   梁-板单元连接   气动软体机械臂   结构参数优化  

摘要： 软体机器人在医疗、探测、军事等领域中展现出独特的应用前景,气动软体机械臂因具有质量轻、效率高、无污染以及环境适应性强等特点,在软体机器人领域中占据重要地位。然而软体机械臂具有结构复杂性和高柔性等特点,导致对其动力学特性分析困难。本文针对一种气动软体机械臂结构,采用绝对节点坐标法(ANCF)梁-板单元建立其动力学模型,分析气压与末端点位置之间的关系,对机械臂结构参数进行优化。主要工作内容如下: 在确定机械臂材料的超弹性本构关系基础上,建立了软体机械臂的动力学模型。选择ANCF 2节点梁单元、4节点四边形板单元和4节点三角形板单元对机械臂的中心梁、周面和扇形面三部分进行离散,推导了单元质量矩阵、弹性力矩阵及其雅可比矩阵;根据软体机械臂中心梁、周面和扇形面之间存在的梯度不连续及节点偏移的情况,推导了梯度旋转矩阵和节点偏移矩阵的表达式;根据软体机械臂的周面和扇形面上的弯面和弧边,推导了弯曲四边形板单元和弧边三角形板单元弹性力的表达式。 为了提高计算效率,分别采用梁-四边形板-三角形厚板单元与梁-四边形板-三角形薄板单元对机械臂进行动力学建模并求解,将机械臂末端点的位置坐标与Abaqus软件的仿真结果进行对比,梁-四边形板-三角形薄板模型虽然计算耗时少,但是计算精度不足,因此选择梁-四边形板-三角形厚板模型作为本文的最终模型;仿真求解不同气腔在不同气压作用下的机械臂末端点位置坐标,获得了气压与机械臂末端点位置之间的非线性关系。 采用响应面法,对软体机械臂结构参数进行了优化。利用所建立的软体机械臂动力学模型对机械臂的结构参数进行析因分析,筛选出影响机械臂性能的关键因子;通过对这些影响因子进行拉丁超立方抽样,得到机械臂结构参数与弯曲角度之间的响应面模型;以机械臂弯曲角度最大为目标函数,获得了机械臂最优结构参数,在相同气压下,机械臂的弯曲角度提高了 48.75%。

关键词： 无模型控制   雅可比矩阵求逆   零化神经网络   机械臂   离散模型  

摘要： 以柔性自适应连续体机器人和高精度刚性机器人为代表的机械臂的发展标志着机器人技术的重要进步。这些机械臂凭借其结构灵活性、顺从性和精确性,有望在各种应用场景中带来重大影响。然而,这些系统的复杂性也给它们的建模和控制带来了巨大的挑战,特别是以灵活性著称的连续体机器人,这限制了它们的广泛应用。 本文研究机械臂的轨迹跟踪控制问题,提出一种无模型控制策略,以克服传统基于模型的方法的局限性。传统的基于模型的方法需要精确的的运动学和动力学模型,但连续体机器人固有灵活性使这些方法面临着特殊的困难。同时,现有的无模型方法虽然不需要明确的机器人模型,但往往为了计算效率而牺牲控制精度。本文提出一种新型连续四元神经动力学方法,该方法使用零化神经动力学方法为机械臂构建无模型控制方案。本文的核心贡献是一种新颖的控制方法,并且利用零化神经动力学来应对实时计算时变雅可比矩阵伪逆的挑战。本文提出的方法方法集成了四个神经动力学子系统,通过协同设计来高效地解决复杂的控制任务。其中两个子系统解决逆运动学问题和雅可比矩阵估计,而另外两个子系统用于计算其伪逆。这种无逆策略显著提高了计算效率,并且有利于硬件实现,与传统控制方法相比有了很大的改进。 考虑到计算机运算的数字化特性,本文进一步提出四时间步离散四元神经动力学模型。该模型是由连续四元神经动力学离散化得到的,专门为算法的数字化硬件实现而定制,进一步增强了所提出方法的实用性。 为了克服速度级控制在某些机器人应用中的局限性,本文工作的另一个重要进展是将控制策略扩展到软体和刚性机械臂的加速度级别。这一转变显著提高了控制系统对动态变化和外力的快速适应能力,从而实现更敏捷和响应更快的控制机制。 最后本文进行了全面的理论分析、仿真和实验验证,以验证所提出基于离散四元神经动力学模型的控制方案的有效性、精确性和计算效率。研究结果表明,本文所提出的方法在速度和加速度两个层面上实现了机械臂的精确轨迹跟踪控制,在不确定性和干扰下表现出较强的稳定性和鲁棒性。

关键词： 高速机械密封   热流体动力润滑   有效冷却   热混合效应强化   冷却机理  

摘要： 机械密封作为防止高压流体沿转轴方向泄漏的关键性基础部件,由于具有高承载、低磨损和长寿命等特点,进而被广泛应用于石油化工、航空航天等领域。随着机械密封高参数化发展要求的提出,其高速化问题也随之变的越来越显著。密封间隙内润滑液膜在强剪切力作用下所产生的大量粘性热极易破坏液膜的完整性,密封环沿径向和轴向方向所形成的温度梯度降低了密封性能,热变形加剧了端面磨损,密封极易失效。端面引流槽-环槽复合通道机械密封增强了冷热流体混合流动能力,有效降低了润滑液膜及动静环端面温升,尤其在高速条件下其冷却效果最佳,同时也为高速机械密封的运行提供了一定的稳定性。因此,在高速条件下开展机械密封的冷却效应研究,不仅可以为其在高速工况下的优化设计提供理论指导,同时也对其性能的提升具有一定的工程实际意义。 跨尺度润滑液膜粘性生热显著是机械密封在高速条件下所呈现出的普遍热力学现象,对密封性能有着不可忽略的影响作用。首先基于流体力学和传热学原理,应用商业软件ANSYS Fluent建立了复合型螺旋槽机械密封的热流体动力润滑(THD)模型和流体动力润滑(HD)模型,研究了不同模型下润滑液膜所呈现出的流动特性,对比分析了二者在不同工况参数和结构参数下对密封性能的影响规律。结果表明,HD模型与THD模型其润滑液膜压力分布具有一致性,均在螺旋槽槽根收敛位置出现了高压,同时转速的增加增强了润滑液膜粘性热效应。粘性热的形成增加了流体粘度损失,削弱了流体动压效应,导致THD模型液膜压力峰值普遍偏低,同时在不同工况参数与结构参数下呈现出了更小的承载力与摩擦系数。 高速条件下密封间隙内流体易发生从层流到湍流的转变,同时流态的改变对密封传热产生了显著的影响。因此在湍流效应的基础之上考虑了润滑液膜的剪切作用,分别建立了复合型螺旋槽机械密封的湍流传热模型与层流传热模型,耦合求解了润滑液膜能量方程和动、静环热传导方程,获得了机械密封三维温度分布,研究了不同模型下复合通道内流体的流动特性以及湍流效应与粘性热效应共同作用对密封性能的影响规律,对比分析了两模型在不同结构参数与工况参数下对密封性能所呈现出的差异性。结果表明,湍流效应对高速机械密封温度分布影响十分显著,且转速是引起密封端面温度显著增加的主要因素。湍流效应增加了润滑流体湍流粘度,使液膜提供了更大剪切力,在不同结构参数与工况参数下湍流热模型液膜温度峰值远大于层流热模型,且在20000rpm、10μm槽深下二者温度峰值相差约33K。 密封在高速运行条件下由于端面温升的显著增加往往会导致润滑液膜发生汽化,内径侧高温区域导致的热变形加剧了端面磨损,进而严重影响密封性能。为实现高速下密封端面温升的有效冷却,增加微尺度润滑液膜汽化裕度,提出了端面引流槽-环槽复合通道机械密封,研究并讨论了槽区冷热流体的流动特性及其对密封端面温度的影响规律,揭示了热混合效应强化机理。结果表明,引流槽与环槽连通后消除了引流槽槽根壁面的阻碍作用进而避免了流体流动死区的出现、流通能力增强,从而显著强化了外径侧低温流体与内径侧高温流体的混合流动。这使得密封冷却能力显著提升,从而有效降低了润滑液膜与密封端面温度。较低的液膜温度下流体粘度损失更小从而具有更强的动压效应与更大的下游泵送能力,密封承载性能与摩擦学性能大幅提升。转速越大热混合效应强化程度越高,转速为20000r/min时液膜与端面温度降低约15K、温升降低约36%,显著增加了低压内径侧高温液膜的汽化裕度,同时液膜开启力提高约30%。冷却通道深度最优值为50μm,此时热混合效应强化水平、冷却能力与密封性能综合最优。这可在高速工况下显著提升液膜的汽化裕度、限制端面热变形,对高速机械密封的优化设计提供了科学依据。

关键词： 空间柔性机械臂   刚柔耦合   动力吸振器   振动控制   自抗扰控制  

摘要： 本文针对空间柔性机械臂在微重力环境下难以消除的残余振动问题,以一类在研具有空间应用背景的大型多关节复合材料长柔杆机械臂为对象,提出了一种新型摆球式主动动力吸振器。该动力吸振器具有多自由度、频率可控以及输出力峰值大等特点。主要的研究内容如下: (1)在Ansys中对简化的空间柔性机械臂进行模态分析,得出其一阶模态数据。根据一阶模态数据结合小球摆动产生离心力的原理,设计出摆球式动力吸振器。该动力吸振器主要由旋转机构和摆臂机构两个部分组成。旋转机构负责跟踪柔性末端的振动方向,摆臂机构负责产生抑振力。 (2)设计摆球式动力吸振器的单自由度抑振平台,并利用Matlab/Simulink的刚柔耦合建模技术在Simulink中搭建出该抑振平台的刚柔耦合动力学模型。对动力吸振器做开环分析,得出动力吸振器的力输出特性,并推导得出摆球式动力吸振器的力输出公式。 (3)针对摆球式动力吸振器的力输出特性,基于线性自抗扰控制算法,提出了一种新型的控制器:余弦调制自抗扰控制器。该控制器主要由幅值计算,频率计算,余弦调制三部分组成,具有模型无关性、输出平滑、易于收敛、调节参数较少等优良特点。 (4)在Simulink中,将搭建的刚柔耦合抑振平台动力学模型和余弦调制自抗扰控制器进行单自由度抑振的联合仿真。仿真结果表明,摆球式动力吸振器对柔性臂末端的抑振具有良好的效果。相较于传统的自抗扰控制器,余弦调制自抗扰控制器对柔性臂造成的冲击最小,抑振效果佳,最大抑振达到了9d B。动力吸振器抑制振动时间相较于自由衰减由14s降低到了7s,展现出显著的抑振性能。 (5)在实验室中搭建动力吸振器的单自由度抑振平台,并基于STM32F103控制板和Free RTOS嵌入式操作系统设计了动力吸振器的单自由度抑振控制器。在动力吸振器的开环实验中,实验结果与仿真结果趋势一致,验证了仿真的有效性。在动力吸振器的单自由度抑振实验中,实验结果显示余弦调制自抗扰控制器在对柔性臂振动的抑制方面表现出良好的效果,抑振最大可达6d B,相较于振动的自由衰减有显著的提升,并且实验结果与仿真结果一致。 (6)将简化的空间柔性机械臂与摆球式动力吸振器结合设计了动力吸振器的多自由度抑振仿真,并设计了动力吸振器旋转机构跟随柔性臂末端振动方向的随动算法。对引起柔性臂末端振动的两种原因分别进行了仿真,结果表明,由柔性臂自身运动引发的残余振动,动力吸振器在X方向上的抑振为1d B,在Y方向的抑振为6d B;由外部扰动引发的柔性臂残余振动,动力吸振器在X方向上的抑振为7d B,在Y方向的抑振为4d B。相较于由机械臂自身运动引起的末端残余振动,动力吸振器在外部扰动引发的振动抑制方面表现出了更为良好的性能。