关键词： 重载机械臂   动力学   激励轨迹   参数辨识   前馈控制  

摘要： 重型工业机械臂因其具有较大的负载能力,在国际工程应用领域中的重大海工装备维护、危险核电装置更换、重型矿用工件安装等大负载作业方面得到了广泛应用,并且正在不断提升其速度、精度和智能化水平,现已成为减少人工成本、实现高度灵巧化作业以及提高重载荷工作强度的重要装备。在矿用工程中,球磨机作为现代矿山企业用于矿石粉碎处理的重要大型设备,但由于长时间承受磨体和矿石材料的撞击,其内层衬板非常容易磨耗损坏,因此需要定期更换。本文以用于球磨机衬板更换作业的七自由度液压重载机械臂作为研究对象,以实现机械臂工作时的稳定夹持和高精度控制为目的,对其动力学参数辨识和前馈控制技术进行深入研究验证。本文的重点研究内容包括:首先,对液压重载机械臂的三维结构进行量化分析,并通过D-H参数法对其进行参数设计和构建运动学模型,导出相邻连杆机构的变换矩阵和末端位置矢量。通过蒙特卡罗法绘出液压重载机械臂的末端抓具工作空间云图,检验机械臂的空间运动工作特性。利用牛顿-欧拉方法建立机械臂的动力学模型,并充分考虑连杆连接处内部摩擦因素的影响,之后推导计算出机械臂完整的关节力矩数学表达式,并进行因式分解和线性化,最终得到用于机械臂动力学参数辨识的最小惯性参数集。然后,为了充分激发出机械臂的动力学特性,本文讨论了有限项傅里叶级数激励的机械臂运动轨迹的设计和优化,分析了改进的有限项傅里叶级数激励的运动轨迹的特点和优势。以最小化回归矩阵条件数和防止启停抖动为目标,通过遗传算法优化得到机械臂关节空间的最佳激励轨迹。接着,让机械臂按照改进的有限项傅里叶级数激励的轨迹模型进行多次工作实验,把实验中实时采集的运动数据进行滤波处理后,将其带入到线性化的动力学方程表达式中,使用最小二乘法计算得出机械臂的动力学参数,并选择另一条轨迹进行验证,以证明动力学参数辨识结果的正确性。最后,本文提出了一种采用动力学模型的力矩前馈控制方法,以解决传统PID闭环控制在多自由度液压重载机械臂上应用时准确度低、响应速度慢的问题。根据机械臂实际动力学模型可以提前感知各关节的目标力矩值,并将其和电流环发送出来的关节驱动信号相结合,完成机械臂各关节驱动力矩的同步自动补偿,由此大幅提高机械臂的关节驱动控制精度和整体工作稳定性,提升复杂工况下的机器工作效率。

关键词： 机械臂   动力学   参数辨识   非奇异快速终端滑模   PID二阶滑模面  

摘要： 随着中国智能制造2025迅速发展和“机器代人”的迫切要求,工业机械臂已经逐步应用于高端制造领域,机械臂所面临的任务需求则更为复杂,应用领域的不断扩展使得对机械臂的底层控制有了更高精度和更高响应速度的目标要求。为了攻关这些卡脖子技术,越来越多的研究人员逐步聚焦机器人的底层控制算法设计。本文以TX40工业机械臂为研究对象,在动力学模型基础上,从机械臂动力学参数辨识和底层动态控制算法两方面展开研究,设计机械臂位置精度控制策略,对于攻克机器人底层控制关键技术具有重要研究意义和市场推广价值。 首先,通过获取高精度机械臂动力学惯性参数来提升机器人动力学模型的精度。设计了基于改进Adaline神经网络的辨识方法,对其网络的步长因子和动量项进行了重新,以此来提升系统的辨识精度。仿真试验结果表示,改进的Adaline算法和传统的Adaline算法对比,其辨识参数的相对精度提高了50%,体现了改进算法的可靠性和优越性。 其次,通过设计合适的底层动态控制算法提升机械臂位置控制精度。提出了一种改进非奇异快速终端滑模面的控制方法。通过切换两种滑模面的形式,消除了系统的奇异性,并有效提高系统的收敛速度和控制精度。考虑到机械臂存在不确定性因素的影响,设计了干扰观测器对扰动进行估计与补偿。仿真试验表明,其提出的控制策略与普通非奇异快速终端滑模控制对比,机械臂各关节轴末端到达期望运动轨迹的速度相对高了24%-55%,运动轨迹的位置精度也相对提高了24%-36%。 最后,针对滑模控制方法存在抖振以及系统不确定性因素上界未知问题,设计了基于PID二阶滑模面的自适应控制器。控制器不仅具有高阶滑模器的高控制精度优点,同时其切换控制律通过积分项作用消除了不连续项的影响,有效解决了滑模控制的严重抖振问题。同时为了避免不确定性上界保守所造成的低效问题,设计自适应更新率来逼近系统不确定性未知上界。仿真试验表明,通过引入PID控制策略,能够将作者提出的改进非奇异快速终端滑模控制器性能进一步提升,在出现输入力矩抖振的情况下,位置精度提高12%-36%。

关键词： 机械臂   运动学   逆动力学建模   深度学习   自注意力机制  

摘要： 工业机械臂逐渐向智能化、集成化和高性能控制的方向发展。机械臂控制是其中最重要的部分之一,而机械臂逆动力学模型作为机械臂控制前馈项的重要内容,紧密关联着机械臂控制精度。因此,建立一个高精度的机械臂逆动力学模型至关重要。在此背景下,本文基于UR5机械臂通过深度学习方法并提出了一种基于自注意力机制的改进模型完成机械臂的逆动力学建模,并与当前常见的用于机械臂逆动力学网络模型进行比较,验证所提出改进模型的预测精度与效率。文章主要的工作内容如下:第一,对机械臂进行运动学分析与仿真。分析前,通过D-H参数先建立关于机械臂的坐标系,并且通过刚性运动,推导机械臂齐次变换矩阵。给定关节角通过齐次变换矩阵推导机械臂末端执行器位姿最终完成机械臂正向运动学分析与速度运动学分析。根据D-H参数,通过matlab中机器人工具箱(Robotics Toolbox)建立UR5机械臂仿真模型,利用工具箱内置函数完成机械臂正向运动学仿真计算和雅可比矩阵计算,结果发现仿真计算值与理论计算值在误差范围内,验证了正向运动学分析和速度运动学分析的正确性。通过蒙特卡洛法描绘出了机械臂的工作空间。第二,基于牛顿-欧拉法建立了机械臂的动力学方程并通过仿真软件完成仿真计算。根据机械臂运动学分析结果推导了连杆与质心的速度与加速度公式,推导了惯性张量,根据牛顿-欧拉递推公式附加摩擦模型与柔性关节模型建立机械臂动力学方程,并完成动力学方程计算。通过动力学仿真软件Adams建立虚拟样机,设置参数并在关节处添加弹性扭簧模拟关节柔性完成仿真计算,发现建立的耦合模型相对刚体模型在精度上有明显提高。第三,完成了基于深度学习方法的机械臂逆动力学建模。通过深度学习方法应用于机械臂动力学问题的历程概述了简单的神经网络,介绍了自注意力机制和基于自注意力机制的Transformer模型。提出了基于自注意力机制的改进模型并完成循环神经网络及其变种等模型设置。最后,搭建试验平台并分析结果。介绍了UR5机械臂的结构。通过三维建模软件Creo完成机械臂模型搭建并处理。完成了机械臂的控制与数据采集,通过PC与实际机械臂建立通信,并基于ROS2系统对机械臂进行控制,完成所需数据的采集并处理。与目前常用网络模型进行横向比较,验证了所提出的改进模型在预测精度和效率方面有明显提升。

关键词： 多稳态   微谐振器   压电式悬臂梁   振动跳跃   混沌  

摘要： 多稳态现象在机械振动系统中非常常见,比如相对转动系统、同步电机驱动的多级齿轮传动系统、微谐振器振动系统、振动能量收集系统等。多稳态特性是相对转动系统、微谐振器振动系统、多级齿轮传动系统等系统避免发生的,容易造成机械振动不稳定;对于振动能量收集系统统是期望发生的,可以拓宽工作频带等。因此,基于多稳态特性,研究系统复杂动力学行为特性,对设计机械振动系统结构和指导使用振动系统有重要意义。为此,本文以双边电容型静电驱动微谐振器和两自由度三稳态压电式悬臂梁能量收集器为研究对象,基于多稳态特性开展复杂动力学行为的机理分析及应用研究。首先,对微谐振器振动系统建立动力学模型,运用多尺度方法分析系统周期响应并通过数值方法划分吸引域,研究系统在不同外激励条件下的吸引域演变情况。研究发现,外激励频率的变化可以导致系统出现双稳态以及振动跳跃现象;外激励幅值的变化可以导致系统发生多稳态行为、振动跳跃、隐藏吸引子以及混沌行为。其次,选择一种典型的压电式悬臂梁振动能量收集器,建立动力学模型,运用多尺度法分析系统局部分岔现象;通过全局分岔理论研究系统吸引域分形及混沌现象的机理,并通过数值模拟验证该现象;然后结合多稳态对拓宽能量收集器工作频带的作用,讨论系统最佳工作状态的重要参数范围。研究发现,外激励幅值的变化可导致系统吸引域分形以及大周期吸引子和混沌的出现。本文在静电驱动型微谐振器件和压电驱动型能量采集装置的设计方面具有一定应用价值。

关键词： 压力机械   肘杆机构   旋转铰间隙   动力学建模   非线性特性  

摘要： 锻压生产工艺具有成型效率高、产品表面光洁度好及一致性强等特点,在工业生产装备中占据重要地位。三角肘杆式机械压力机相比其他品类的压力机,其执行连杆的速度变化较为平稳,具备良好的急回特性及显著的回程增力特征,并且工作行程较大,所需的驱动力矩及动力源的容量相对较小,节约成本、节能降耗,是一种颇具发展前景的压力机构。本文以三角肘杆式机械压力机机构为主要研究对象,进行了运动学对比优化、多刚体动力学分析和考虑含单、多间隙机构的动力学响应与非线性特性的系统化研究。主要内容如下:首先,对三角肘杆式机械压力机机构进行运动学分析及对比优化。描述了三角肘杆式机械压力机机构的结构特征,通过环形矢量法建立压力机机构的运动学数学模型,推导机构的运动学表达式,运用Matlab对运动学模型进行求解,得到压力机执行连杆端的位移、速度及加速度曲线。再通过Adams进行虚拟样机仿真分析,验证了三角肘杆式压力机构参数化模型的正确性。以压力机急回特性强和执行连杆工作段加速度冲击小为设计目标,对上、下三角肘杆机构模型进行了仿真实验,对比了两种构型方案并得出最优结果。其次,对含单间隙上三角肘杆式机械压力机机构进行刚体动力学建模与特性分析。基于“分离-接触”理论,建立了含单间隙旋转铰模型,采用Lankarani-Nikravesh接触力模型对间隙处接触力法向分量进行求解,根据改进的Coulomb摩擦力模型确定间隙处接触力周向分量。列出机构含旋转铰间隙时的约束方程,采用拉格朗日乘子法建立机构的动力学模型,并应用龙格库塔法进行求解。通过Adams虚拟样机技术分析在不同间隙位置、不同相对间隙值、不同驱动速度与不同摩擦系数时机构动力学响应的影响机制。应用相轨迹图和Poincare映射法对含单间隙上三角肘杆式机械压力机机构的非线性特性进行分析。再次,对含多间隙上三角肘杆式机械压力机机构进行刚体动力学建模与特性分析。基于含单间隙模型的非线性特性,建立了含多间隙机构的刚体动力学模型。绘制在不同相对间隙值、不同驱动速度、不同摩擦系数和不同载荷强度下的动力学响应对比曲线。研究含多间隙模型的非线性特性影响,通过相轨迹图、Poincare映射法分析了混沌现象的变化规律。最后,对本课题的研究内容、技术方法及主要结论进行了总结,并为下一步研究进行规划与展望。

关键词： 机械臂   双臂协同   动力学建模   控制算法   递推  

摘要： 多变的非结构化环境和任务需求的多样性要求机械臂具有从低自由度到高自由度,从单臂到双臂快速拓展的能力,而且部分机械臂还配置了柔性关节以提升人机交互的安全性与柔顺性。开展机械臂动力学建模与基于模型的控制算法研究是实现上述机器人高动态性能的基础,然而快速拓展得到的新结构类型机械臂给建模和控制的便捷性、实时性等提出了更高的要求。为能够快速建立不同结构机械臂的动力学模型并实现基于模型高精度高效率的控制,本文以递推思想为主线,开展了从刚性关节到柔性关节,从单臂到双臂的建模与控制方面的研究,并采用仿真或实验手段对上述算法进行验证。 为实现机械臂动力学模型的递推性,基于子系统的牛顿-欧拉动力学建模方法建立了刚性单臂的递推逆动力学模型Sub-RNEA(Recursive Newton-Euler Algorithm based on the Subsystem),继而由链式法和代入法分别得到正动力学模型。在Sub-RNEA的基础上,通过将正向递推和逆向递推相关的子系统方程相对时间两次求导,并与高阶逆动力学模型EJNEA(Elastic Joint Newton-Euler Algorithm)的部分公式结合,提出了具有递推形式的基于子系统的柔性单臂高阶逆动力学模型Sub-EJNEA(EJNEA based on the Subsystem)。通过与物理仿真模型和已有模型EJNEA的输出量对比分析,验证了所建模型的正确性。 针对刚性单臂在运动控制中受机械臂动力学模型参数的不确定性和扰动的影响,提出了一种基于虚拟分解控制(VDC,Virtual Decomposition Control)与误差的鲁棒积分(RISE,Robust Integral of the Sign of the Error)融合的的复合自适应控制算法。基于虚拟分解设计子系统形式的自适应控制,同时引入无模型的误差鲁棒积分控制算法RISE对扰动项进行抑制,实现了控制算法的递推性与鲁棒性,进而提升了对多自由度机械臂的控制性能。实验结果表明算法在轨迹跟踪精度与控制能量消耗两个方面都具有一定的优势。 针对刚性双臂协同搬运时需要对目标物体的位置及夹紧内力同时控制以实现搬运安全性的问题,在刚性抓取的假设下,可将机械臂与目标的接触力分解为控制目标运动的分力和挤压目标的内力,进而对运动控制和内力控制可以独立设计控制算法,提出了基于VDC-RISE的力位混合控制算法,仿真与实验结果均表明,所提算法在保证内力跟踪的同时,可实现更高的位置跟踪精度。当搬运物体与外界环境存在期望交互时,因力位混合控制无法处理运动控制所需的高刚度和交互控制所需的高柔顺之间的矛盾,提出基于VDC的双环阻抗控制算法,通过设计基于刚度自适应与阻尼动态调节的外环阻抗控制应对目标与刚度不确定环的交互力跟踪问题,设计递推实现的内环阻抗不仅保证了算法运行的实时性,而且避免了对于机械臂准确动力学模型参数的依赖,仿真结果表明所提算法能够满足内力、目标位置以及目标与环境交互力的协同控制要求。 针对柔性单臂的反馈线性化(FL,Feedback Linearization)控制的弱鲁棒性问题,在高阶反馈可获得的假设下,通过FL与逐次降阶的叠加反馈结合,提出了一种增强型反馈线性化(FL-E,FL-Enhancement)控制算法,提升了应对动力学模型参数不确定和高阶反馈存在误差时的鲁棒性。当高阶反馈无法获得时,提出基于RISE与标称高阶前馈融合的增强型误差鲁棒积分控制算法RISE+,并拓展该算法,提出基于RISE+的柔性双臂力位混合控制算法,仿真结果表明,上述单臂轨迹跟踪控制算法和双臂力位混合控制算法均提升了控制性能。

关键词： 螺旋线驱动软体机械臂   正动力学   逆动力学   绝对节点坐标法   载荷分配  

摘要： 近年来,由柔性材料制成的软体机械臂在医疗、工业等领域展现出了巨大优势。受自然界生物的启发,许多软体机械臂用于模仿动物的复杂空间三维运动。目前研究软体机械臂弯曲运动的相关理论和方法较多,但缺乏针对机械臂扭转运动和螺旋运动的理论研究。由于扭转运动和螺旋运动在仿章鱼、仿象鼻等软体机械臂中应用广泛,因此对可实现扭转、螺旋运动的软体机械臂进行动力学模型构建及特性分析具有重要的理论意义。本文采用基于绝对节点坐标法(ANCF)的梁单元,以螺旋线驱动的单节和两节软体机械臂为对象,对其正动力学、逆动力学建模方法和动力学特性进行研究。主要工作内容如下:首先,介绍了基于ANCF的三维二节点低阶梁单元的基本理论,推导了梁单元截面上任意点的位置矢量、质量矩阵、广义外力、广义弹性力及其雅可比矩阵。其次,采用基于ANCF的梁单元,建立了螺旋线驱动的单节软体机械臂动力学模型并对其动力学特性进行分析。推导了驱动线的广义拉线外力及其雅可比矩阵,建立了机械臂的正动力学模型,将算例仿真结果与ABAQUS的仿真结果对比,获得了重力、驱动线作用半径和螺距对机械臂扭转变形的影响规律;在此基础上,引入末端点目标轨迹约束方程,建立了机械臂的逆动力学模型,分别以机械臂末端的扭转运动曲线和螺旋运动曲线为目标轨迹,将算例仿真结果与ABAQUS结果对比,验证了模型的正确性。最后,采用基于ANCF的梁单元,建立了以固定关节连接的螺旋线驱动的两节软体机械臂动力学模型,并对其动力学特性进行分析。引入固定关节约束方程,建立了机械臂的正动力学模型,将算例仿真结果与ABAQUS结果对比,获得了载荷施加方式、重力不同臂节驱动线作用半径和螺距的变化对机械臂扭转变形的影响规律;在此基础上,引入末端点目标轨迹约束方程和载荷分配系数,建立了机械臂的逆动力学模型,分别以机械臂末端的扭转运动曲线和螺旋运动曲线为目标轨迹,将算例仿真结果与ABAQUS结果对比,验证了模型的正确性。

关键词： SiC基片   摩擦化学机械抛光   氧化反应动力学   材料去除机理  

摘要： 单晶碳化硅（SiC）作为一种新型半导体材料,具有非常理想的性能,作为衬底材料被广泛应用于集成电路、光电子、航空航天和医疗等领域。因此对碳化硅表面质量要求很高。然而,由于其脆性大、高硬度、高抗拉强度和高化学惰性,给SiC的高效精密加工带来很多挑战。为了提高SiC精密加工的效率,诸多学者对其材料去除机理进行研究来解释材料去除成因,然而,基于化学和机械作用的抛光技术是一项复杂加工工艺,这使得其反应作用机理的研究至今依旧不够清楚。为此,本文从氧化动力学角度对SiC基片抛光过程中化学和机械作用进行探索来分析摩擦化学反应作用机理,以实现单晶SiC基片的高效、高质量、低损伤抛光。具体研究如下:（1）单晶SiC基片固结磨料摩擦化学机械抛光表面氧化研究。基于化学热力学从理论方面分析单晶SiC表面氧化的可行性,并对SiC表面的氧化反应进行动力学理论分析,计算其反应速率。分析了摩擦化学机械抛光过程中机械作用对SiC基片表面结构的影响以及机械作用对反应活化能的影响,揭示了摩擦化学抛光过程中机械作用可以通过引起材料表面的活化来增大表面能,降低化学键的结合强度,导致反应所需的活化能降低,从而使氧化物质更容易和SiC基片反应,增大其反应速率的过程。（2）单晶SiC基片固相反应动力学分析。采用差示扫描量热法对SiC和Na2CO3-1.5H2O2进行热分析实验,判断SiC和Na2CO3-1.5H2O2在固相条件下发生固相反应的难易程度,然后基于Ozawa方程计算两者之间固相反应的热力学活化能。结果表明:SiC和Na2CO3-1.5H2O2在室温至800℃温度范围内有明显化学反应,反应的热力学活化能很大,二者在高温下才能发生反应,在室温条件下反应速率较慢。（3）单晶SiC基片固结磨料摩擦化学机械抛光表面反应速率研究。对SiC基片进行摩擦化学机械抛光实验,分别研究机械作用、化学作用和机械+化学作用对SiC基片抛光效果的影响。并通过测量以上几个条件下SiC基片的表面氧元素含量,来间接表征摩擦化学反应程度。结果表明:抛光垫机械作用对SiC表面的氧化促进程度很低。磨粒机械作用抛光SiC后具有明显的材料去除率,但抛光后其表面氧原子含量为零。氧化剂干抛光SiC基片后表面氧原子含量上升,但材料去除率很低。机械和化学协同作用抛光SiC后具有很高的材料去除率,材料去除率大于机械抛光和化学作用抛光时材料去除率的总和。高硬度磨粒的机械作用对化学反应有促进作用,可以促进SiC基片表层原子与氧化剂的反应,使氧化更容易发生。抛光过程依靠机械作用和化学作用的共同努力循环进行。（4）单晶SiC基片摩擦化学机械抛光过程中催化作用机理研究。将不同含量的纳米Fe2O3和Fe3O4催化剂颗粒加入到对6H-SiC基片的摩擦化学机械抛光实验中,研究催化剂作用下SiC基片的材料去除特性。结果表明:纳米Fe3O4催化剂性能优于Fe2O3,Fe3O4催化剂辅助抛光过程中能催化Na2CO3-1.5H2O2产生更多的?OH,加入催化剂时的材料去除率比不含催化剂时更高,表面粗糙度低至2.257 nm。纳米Fe3O4能加速SiC表面软化层的生成,与不加催化剂相比,抛光后的SiC表面硬度明显降低。

关键词： 行星齿轮   载荷波动   级间扭转阻尼   分岔   峭度  

摘要： 煤矿机械行星齿轮传动系统结构复杂,所处环境恶劣,导致其具有较高的故障发生率,给企业带来不必要的损失。行星齿轮传动系统中存在诸多非线性因素影响其稳定运行。为提高行星齿轮传动系统的安全性与可靠性,降低故障发生率,有必要对行星齿轮传动系统非线性动力学特性进行研究。 本文以煤矿刮板输送机两级行星齿轮传动系统为研究对象,引入载荷波动以及级间扭转阻尼、级间扭转刚度,综合考虑时变啮合刚度、啮合阻尼、综合传递误差、齿侧间隙等非线性因素,建立两级行星齿轮传动系统纯扭转非线性动力学模型,推导得到其非线性运动微分方程,为后续研究奠定基础。计算分析系统前六阶固有频率。利用Adams对两级行星齿轮三维模型进行动力学仿真,得到传动系统啮合力仿真值,对比利用运动微分方程求解得到的各级齿轮啮合力均值,验证集总参数模型正确性。 为研究载荷对行星齿轮传动系统非线性动力学特性的影响,利用四阶Runge-Kutta法求解简化后的包含载荷波动的行星齿轮传动系统无量纲运动微分方程,得到单级、两级行星齿轮传动系统在空载、50%载荷、满载以及150%载荷四种工况下,太阳轮与行星轮间相对位移随激励频率变化的分岔图。综合运用相图、Poincaré图、时程图、频谱图对系统分岔特性进一步研究,利用不同工况下传动系统峭度值随激励频率变化的曲线图对分岔特性进行验证。研究发现,载荷变化对单级行星齿轮传动系统在不同激励频率下的影响存在差异性。对两级行星齿轮传动系统第一级的影响效果与单级相似,但在低频激励下有所不同。第二级行星齿轮的加入,降低了载荷对第一级行星齿轮传动系统非线性动力学特性的影响。 研究单级、两级行星齿轮系统非线性动力学特性的不同点在于,两级行星齿轮传动系统需考虑两级行星齿轮耦合。为探究非线性因素对行星齿轮传动系统非线性动力学特性影响规律,选取空载和满载两种工况,分别改变啮合阻尼和级间扭转阻尼,求解两级行星齿轮运动微分方程。结合非线性动力学基本理论,运用分岔图、相图,Poincaré图等,分析两级行星齿轮传动系统随激励频率、啮合阻尼、级间扭转阻尼变化的分岔特性。利用两级行星齿轮在相同激励频率下,不同级间扭转阻尼对应的峭度值,分析研究级间扭转阻尼对行星齿轮传动系统非线性动力学特性影响规律。