关键词： 机械臂   环境力矩   动力学建模   轨迹跟踪  

摘要： 空间机械臂是在轨服务机器人极为重要的操作工具,在超低轨状态下,环境力矩,尤其是气动力矩将会对机械臂操作精度产生影响。本文针对环境力矩、空间机械臂建模和机械臂轨迹跟踪控制问题进行了研究与实现。首先,文章介绍了稀薄气体动力学的发展状况,给出了目前国内外在空间机械臂问题上的研制计划和发展情况,对国内外在空间机械臂轨迹跟踪控制方面的研究情况进行了详细的分析和评述;其次,研究了超低轨卫星所受环境力矩的建模方法。针对重力梯度力矩,采用将研究对象拆分独立计算的方法,分析系统各部件受到的重力梯度力矩,通过仿真算例得到,系统所受重力梯度力矩量级为410 N m??。针对气动力矩,在一般工程应用模型基础上,引入微元划分思想,提出了一种针对研究对象精确计算有效迎风面积的方法,并通过仿真算例得到,有效迎风面积的计算精度达到99.9%以上。应用有效迎风面积算法,计算得到系统所受气动力矩量级为210 N m??,相对于重力梯度力矩,气动力矩为低轨卫星主要的影响力矩。再次,给出了机械臂关节坐标系的定义方法及关节坐标系间的转换关系,并以此推导了机械臂动力学正解。然后引入拉格朗日方法对空间机械臂进行动力学建模,得到机械臂动力学方程。结合第二章得到的环境力矩模型进行仿真计算,对有无环境干扰下的机械臂运动情况进行了对比分析,发现在超低轨道下,关节无控时环境力矩对机械臂关节运动及末端位置影响较大,同时验证了动力学模型的正确性。最后,文章对空间机械臂轨迹跟踪控制问题进行了讨论。针对建立的基于拉格朗日方法的机械臂动力学模型,根据固定基机械臂系统特点对模型进行了适当简化,基于模型的计算力矩控制方法,设计了关节轨迹跟踪控制器。将环境力矩作为干扰作用到关节控制力矩,进行仿真分析,对固定基机械臂系统实现了良好的控制效果。同时引入环境力矩干扰,分析环境力矩对跟踪效果的影响。

关键词： 工程机械臂   结构动力   特性  

摘要： 随着科学技术的进步，科学技术在工程技术领域的应用越来越广泛，各种复杂的机械系统开始被研发出来，本文主要分析工程机械臂系统的结构动力学特点，从而能够在一定程度上提高工程机械臂系统的性能。

关键词： Reliability   Dynamic reliability   Series system   Failure dependence   Strength degradation path dependence  

摘要： In this paper, dynamic reliability models of series mechanical systems in terms of stress parameters and strength parameters are established, in which strength degradation path dependence (SDPD) and failure dependence of components in the system are taken into consideration. Despite the computational convenience for reliability evaluation by using the independent strength distribution at each load application, large errors could be caused due to neglecting the existence of SDPD. In this paper, influences of SDPD on both dynamic system reliability and failure dependence are investigated. Moreover, the impacts of the dispersion of initial strength and the number of components in a system on the influences of SDPD on dynamic system reliability are analyzed. In addition, the clamp band joint system is used as illustrative examples to demonstrate the proposed models. The results show that SDPD have considerable influences, which vary in different operational stage of series mechanical systems, on dynamic system reliability and failure dependence. Besides, the dispersion of initial strength and the number of components have different impacts on the effects of SDPD on system reliability.

关键词： 宏微机械臂   弹性机构   动力学特性   参数优化  

摘要： 本文主要针对柔性宏刚性微机械臂建立了系统的动力学模型,并且验证了模型的正确性,对系统进行动力学分析以及尺度效应分析,通过分析结果,对柔性宏刚性微机械臂进行了参数优化,最后建立了柔性宏刚性微机械臂的实验台,将得到的实验结果与仿真结果进行对比,验证了仿真结果。首先,基于柔性多体动力学(FMD)方法,利用有限元法与拉格朗日第二方程,文中对柔性宏机械臂建立了系统动力学模型。在对刚性微机械臂建模时,将其视为一种特殊的柔性机械臂,并对其进行了一定的特殊处理,然后按照柔性宏机械臂的建模方法,对整个柔性宏刚性微机械臂建立了系统的动力学模型。再利用MATLAB仿真软件,针对两柔两刚柔性宏刚性微机械臂系统进行仿真,与动力学仿真软件RecurDyn仿真的结果对比,二者的末端轨迹与轨迹误差大致相同,即证明了所建立的系统动力学模型的正确性。其次,运用所提出的新的建模方法,对2F2R柔性宏刚性微机械臂的系统建立动力学模型。利用MATLAB仿真软件,对系统的运动参数进行了优化。首先给定系统的结构参数、物理参数和截面参数,再分别在给定系统的关节角运动和末端轨迹运动的情况下,改变系统的加速度进行仿真分析,系统的加速度分别采用等加速度型、摆线型和5次多项式型三种形式,得到了柔性宏刚性微机械臂系统的末端轨迹误差轨迹。比较三种情况下系统的末端轨迹误差,分析出了加速度对柔性宏刚性微机械臂系统的影响。然后给定系统的运动参数,固定其结构参数,改变物理参数和截面参数,得到在不同长度比、截面积比以及不同材质、不同运动轨迹的情况下系统的末端轨迹误差曲线,对这些误差轨迹曲线进行尺度效应分析,同时得到了在哪种情况下机械臂系统的误差最小,对柔性宏刚性微机械臂的结构参数进行优化。这些结论,对柔性宏刚性微机械臂的动力学特性与优化设计的进一步研究具有极其重要的意义与参考价值。最后,本文柔性宏刚性微机械臂系统的实验台进行了设计。详细说明了该实验台的基本构造和工作原理,并且对主要杆件进行了校核。利用MATLAB仿真软件,得到了柔性宏刚性微机械臂系统的末端轨迹误差,再与实验结果进行对比,验证了仿真结果的正确性。

关键词： 武装机器人   结构设计   动力学   机电联合仿真   优化设计  

摘要： 在现代战争中，武器系统正朝着无人化、智能化、高精度的方向发展，战场环境也更加复杂。作战人员往往囿于自身生理和心理的局限，不能完全满足作战任务的需求。地面武装侦察机器人，是一种用于代替士兵承担军事任务的地面无人车辆，它同时具备了武装作战和战地侦察等功能。地面武装侦察机器人的使用，可以有效提高军队的作战效能，并极大地降低我方伤亡人数。本文设计了一款新型六履带轮履复合式武装侦察机器人，制造了其移动平台的实体样机，并进行了动力学仿真。这一设计发明可以充实我国地面无人化机动武器装备的研究，同时为类似地面移动机器人的设计提供理论与实践借鉴。 本文围绕所设计的新型武装侦察机器人，开展了一系列研究工作，主要有： 1）开展了机械设计与电机匹配研究。提出了系统总体方案，进行了模块化设计，并重点介绍了嵌套轴系等关键结构的创新设计；探究了机器人各部位驱动电机的匹配计算方法。2）开展了底盘系统的动力学研究。针对直驶、爬坡、越障和自撑起几种典型位姿，对武装侦察机器人进行了系统动力学建模，并进行了数值求解与分析。3）开展了武器站系统的伺服控制研究。根据机器人武器站要能够快速捕捉、精确打击目标的要求，设计了武器站的伺服系统和PID控制器，并进行了参数整定与仿真。4）开展了武器站系统的机电联合仿真研究。将武装机器人的多刚体动力学模型与伺服系统控制模型联合起来，进行了武器站的机电系统联合仿真与分析。5）开展了有限元分析与优化设计研究。针对机器人的关键零部件进行了静强度分析，并在有限元分析的基础上，开展了相关结构的优化设计。 最后，论文针对现有设计和实体样机在实验中出现的问题，给出了进一步优化改进的建议，并对地面武装侦察机器人的发展前景进行了展望。

关键词： 激光模切   运动学分析   二杆机械臂   有限元分析   动力学分析  

摘要： 随着数字化时代的到来,印刷设备的数字化已日趋成熟,为了与数字化印刷相对接,数字化印后的需求也在逐步增大。本文介绍了传统印后模切技术及其工艺流程,分析了传统模切存在的问题,介绍了新型的模切技术-激光模切技术及其特点,目前激光模切技术在国内外的研究状况和未来发展态势。针对市场上常见的激光模切设备,总结了工作台移动方式、飞行光路式和振镜式三种激光模切方式。通过对比分析三种模切方式的模切范围和模切速度,提出一种二杆机械臂式激光模切方式,并对其进行简单介绍。介绍了二杆机械臂式激光模切系统的整体结构,提出了两种光路系统的方案,光纤传输方案和反射镜光路传输,选择了反射镜光路传输方案,并对其光路配件进行选型。对传动系统进行了设计研究,采用中空步进电机配谐波减速器的传动方式,实现光束的移动。对电机和减速器进行了计算和选型。基于ANSYS对二杆机械臂的大臂和小臂进行了有限元分析,对其强度和刚度进行校核,证明大臂和小臂符合强度和刚度要求。对二杆机械臂整体机构进行了模态分析,得到其六阶振型,在机构运动过程中防止共振的发生。建立两连杆机构坐标系,并对其进行正、逆运动学分析。基于MATLAB/-Simmechanic软件建立二杆机械臂空间分析仿真模型,对其作用空间进行仿真分析。基于MATLAB/Simmechanic软件建立二杆机械臂运动学仿真模型,仿真验证了逆运动学的正确性。对二杆机械臂进行动力学分析,简单介绍了三种常用的动力学建模方法,利用拉格朗日法对二杆机械臂进行动力学方程建模。基于ADAMS软件对其进行动态仿真,得到各关节力矩曲线。通过以上工作,提出了用于激光模切设备的二杆机械臂系统,在保证足够精度和模切幅面的前提下有效提高了模切速度。

关键词： 研究型大学   工科大学生   创新实践能力  

摘要： 《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》中,将"培养信念执著、品德优良、知识丰富、本领过硬的高素质专门人才和拔尖创新人才"作为高校人才培养的新要求,武汉大学更是秉承"创新、创造、创业"的人才培养理念,采取多种措施保障人才培养质量。动力与机械学院在此基础上,结合自身专业特色,从政策保障、搭建平台、营造氛围、扶持团队等方面构建完整的创新实践能力培养体系,该体系为学生创新能力的整体提升提供支持与保障,极大地拓宽了学生科研项目的参与度,显著提升了学生的创新实践动手能力。

关键词： 空间柔性机械臂   间隙   碰撞动力学   摩擦   Adams  

摘要： 随着航天技术的飞速发展,空间机械臂作为在轨服务的一项关键技术越来越受到人们的关注。空间机械臂由于工作环境的复杂性要求其具有精度高、质量轻、功率低、耗能少等优点,因此在对空间机械臂进行动力学分析时必须考虑臂杆的柔性问题,这样更加符合航天机械臂运动的实际轨迹。机械臂的构件通过运动副来相互连接,运动副中的间隙和摩擦问题将成为影响机构运动性能及精度的主要问题,故本文针对空间机械臂的间隙及摩擦问题展开研究。本文首先针对旋转铰间隙建立了旋转铰间隙矢量模型以及含间隙旋转铰的数学模型,正确描述了间隙铰接触碰撞过程,建立含间隙旋转铰柔性机械臂的动力学方程。其次针对平面运动的二自由度机械臂进行研究,对机械臂的两个臂杆和两个关节分别进行受力分析,建立含摩擦力矩的关节驱动关系式,然后运用Matlab软件对机械臂的两个关节的驱动力矩进行仿真分析。利用Adams软件对刚性机械臂运动副有无摩擦进行了对比分析。之后建立不同臂杆长度的柔性机械臂,对比分析了臂杆长度对机械臂柔度的影响。文章的最后也是最关键的部分主要根据已经存在的加拿大臂2号进行建模分析,建立含间隙空间运动的七自由度机械臂的刚柔耦合模型,分别仿真分析运动副的间隙尺寸,驱动力大小,阻尼系数以及切向的动摩擦系数对含间隙柔性机械臂的动态控制影响。对提高空间机械臂运动精度及可靠性分析提供了帮助。

关键词： 井下动筛排矸机   跳汰分层   传动机构   瞬态动力学  

摘要： 井下机械式动筛排矸机能够促进煤炭行业的绿色开采，有效的解决了煤矸石堆积的危害性问题。更因其工艺系统和装备结构简单，易于操作，井下机械式动筛排矸机必将成为未来煤炭行业绿色发展必不可少的机械设备。本文对井下机械式动筛排矸机的总体设计和跳汰分层原理进行了方案设计，对其传动机构进行了运动学分析，对井下机械式动筛排矸机瞬态动力学响应进行了分析计算，最后得出其瞬态动力学响应的结果。 井下机械式动筛排矸机传动机构的运动规律对动筛体的运动特性影响很大，进而影响煤和矸石的筛分效率。本文对传动机构建立了数学模型，根据封闭的矢量多边形方程，得出各个杆件的角位移、角速度以及角加速度的方程。然后借助ANSYS Workbench中的Rigid Dynamics刚体运动学分析模块，对井下机械式动筛排矸机的传动机构进行运动学分析及仿真，并以此来验证各杆件的角位移、角速度以及角加速度的方程的正确性，为产品的设计和应用提供完整可靠的理论依据。 最后本文对井下机械式动筛排矸机瞬态动力学响应进行了分析计算，得出其瞬态动力学响应的结果，从而获得了传动机构的应力变化和位移变化规律。直观而且精确的展示出井下机械式动筛排矸机瞬态动力学响应的特点，为井下机械式动筛排矸机的设计和应用提供充分的数据支持。

关键词： non-stationary flows   dynamics of presses and forging hammers   fluid drives   hydraulic sources of vibrations and noise  

摘要： The influence of liquids contained in hydraulic pipes of drives of heavy metallurgical machines, e.g. forging hammers and presses, on reduced mass and system dynamics and forces and moments of reaction for surroundings, was investigated in the paper. Most of these calculations were performed on the bases of the volumetric flow rate only, without knowing the rate distribution on the pipe cross-section. Investigations included hydraulic pipes of variable diameters and arbitrary pathways in the space, for the stationary and non-stationary flows.