关键词： 主动碎片清除   空间连续型机械臂   动力学跟踪控制   强化学习   协同规划控制  

摘要： 历经半个多世纪的航天事业发展,人类的空间探索在广度和深度上均得到了长足的进步,大量的航天器被陆续投入使用。但自其发射至失效/解体的过程中产生了大量的空间碎片,对人类空间活动构成了极大的威胁。数量不断增长的空间碎片持续恶化着航天器的工作环境,空间碎片主动清除技术已成为未来空间研究的重要方向。 近年来学者们提出了多种成熟的碎片移除方案,相比于刚性机械臂,连续型机械臂高度灵活的弯曲特性,使其对具有复杂操作需求的任务环境具有良好的适应能力,为复杂空间环境下主动碎片清除技术提供了新的思路,展现出巨大的应用潜力。本文在总结国内外研究的基础上,面向空间连续型机械臂系统执行空间碎片清除任务背景,进行机械臂设计与建模、基于强化学习算法的单臂智能动力学跟踪控制、双臂协同规划跟踪控制等方面的研究。本文主要研究内容如下: (1)建立了空间多模块串联的线驱动连续型机械臂刚-柔耦合动力学模型。通过合理的驱动线布局和模块化臂节设计,使得所提出的连续型机械臂能够在捕获区域内进行灵活的弯曲运动。考虑机械臂的刚-柔耦合特性,推导空间多模块连续型机械臂运动过程中的动力学方程,使所建立的模型能够体现其跟踪逼近碎片过程中驱动线牵引整个连续型机械臂运动的物理机制,并进行了原理样机验证。 (2)提出了用于非线性系统动力学控制的深度强化学习算法。鉴于线驱动连续型机械臂动力学模型所具有的强非线性特征,在没有完备的先验数据监督下,传统的连续动作空间内的强化学习方法学习速度和精度相对较低,难以直接应用到连续型机械臂动力学控制中。因此提出一种基于模型预测的强化学习算法,结合传统模型预测控制理论中的在线预测及滚动优化机制,使得强化学习在训练过程中能够考虑系统的动态特性,以此加速算法的策略收敛,提高计算效率,并在基准环境中进行仿真验证。 (3)考虑连续型机械臂执行空间碎片清除作业过程中存在的外部环境干扰及自身模型误差,综合强化学习策略网络和机械臂动力学控制的优势,设计基于模型预测的强化学习控制器。针对动力学解算过程中较高计算成本问题,提出一种数据驱动的多层前馈神经网络模型,将该模型用于非线性系统建模,预测系统在当前控制策略下的预期动态响应。然后在基于Actor-Critic框架的深度强化学习算法的基础上,结合模型预测控制原理,根据系统长期性能表现,在连续动作空间内实时优化变结构控制器参数,从而进一步提升控制器控制能力,实现空间主动碎片清除操作中连续型机械臂的自适应跟踪控制,并进行仿真验证。此外,将轨迹规划机制引入到机械臂实时动力学控制中,由此设计了基于强化学习算法的智能动力学-运动规划一体化实时动力学控制器,进一步提升机械臂系统灵活跟踪操作的智能性,并进行仿真验证与原理样机验证。 (4)将连续型机械臂智能跟踪控制推广到多机械臂系统中。相比于单臂操作,双臂协同操作方式具有更高的智能性与安全性,具有较高的应用与研究价值。本文考虑双臂协同作业过程中存在的双臂自碰撞风险,基于博弈论原理,引入协同作业防碰撞竞争机制,融合多智能体深度强化学习方法对双连续型机械臂进行在线规划控制仿真,最终实现空间碎片清除任务中带防自碰撞功能的双臂智能协同跟踪控制操作。

关键词： 旋量理论   机械臂   运动学模型   动力学模型   指数积  

摘要： 机器人的研究是一个多学科融合、多场景应用,具有广阔发展前景的领域,机械臂是机器人领域中一个重要分支,具有灵活、直接的特点,更有利于提升工作范围、工作精准度及减小失误率。准确简洁的建模方法是机械臂提升精度、效率的基础,可以使控制方法更具有针对性,因此研究精准、高效的建模方法有其理论价值及意义。机械臂属于多输入输出的非线性系统,传统建模方法运动、速度、力的分析相对孤立且缺少通用性。因此,本研究基于旋量理论,以六自由度机械臂为研究对象,提出使用旋量理论建模的方法,对机械臂运动与动力建模进行了研究,达到了物理意义明确、准确及通用的效果,为实现高效的控制方法打好了基础。首先,分析了运动学模型。基于旋量理论的方法,结合李群李代数等数学工具,推导出机械臂运动学数学模型,并分析旋量方法的优势。针对运动学逆解算法方面,提出采用分解运动机构的思路与方法,提高了逆解算法的运算效率。通过仿真实验,验证了运动学模型与逆解算法的正确性,为后续有关动力学的研究做下铺垫。其次,分析了机械臂的奇异及工作空间。描述了雅可比矩阵在机械臂研究中的作用及意义,推导了基于旋量理论的空间速度雅可比与物体速度雅可比之间的关系。阐述了机械臂奇异位置出现的原因,以及奇异点的解算,并得到三种奇异构型。使用蒙特卡洛方法分析工作空间,求解得到机械臂可达工作空间的仿真模型。最后,分析了动力学模型。通过动力学建模算法时间复杂度的对比,验证了凯恩方程相较于其他方法建立动力学模型的优势。基于旋量、凯恩方程定义机械臂的主动力旋量等动力学模型参数,在此定义的基础上建立了机械臂的动力学模型,而后联合所搭建的机械臂三维模型进行仿真,验证了动力学数学模型的正确性。

关键词： 机械臂   参数辨识   双向长短时记忆网络   外接触力估计   碰撞检测  

摘要： 本文主要对机械臂动力学参数辨识问题进行研究。针对机械臂关节摩擦力、柔性等非线性特性难以准确建模的问题,提出基于双向长短时记忆(Bidirectional Long Short-Term Memory,BiLSTM)网络的机械臂动力学参数辨识方法。在动力学建模基础上,设计了基于BiLSTM动力学模型的机械臂外接触力估计算法和机械臂碰撞检测算法,并在UR5机械臂上对动力学模型建模精度进行了实验验证。本文主要的工作内容包括:(1)提出一种基于BiLSTM的机械臂动力学参数辨识方法。将机械臂的动力学模型求解看作是回归问题,把机械臂关节的未来期望位置和速度作为反向传播的输入,实际位置和速度作为前向传播的输入,关节转矩作为输出进行模型训练。此外,为了提高模型的准确性,对机械臂的每个关节单独设计了网络结构。实验结果表明,所提方法比反向传播(Back Propagation,BP)、长短时记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)和门控循环单元(Gate Recurrent Unit,GRU)网络对关节转矩预测误差更小。(2)设计了基于BiLSTM动力学模型与BP网络的机械臂外接触力估计方法。针对机械臂关节柔性、摩擦引起的关节电流与末端接触力建模困难问题,设计一种基于BP网络的关节电流与机械臂末端接触力的建模方法,将动力学模型预测的关节电流与实际关节电流差值作为网络的输入,机械臂末端接触力作为输出进行网络训练。(3)设计了基于BiLSTM动力学模型的机械臂碰撞检测算法。使用BiLSTM网络训练获得的动力学模型在UR5机械臂上进行碰撞检测实验,将人体不同部位与机械臂末端进行碰撞,实验结果都符合ISO/TS15066标准。然后使用UR5自身碰撞检测算法与本文设计算法进行比较,结果表明本文方法比UR5自身碰撞检测算法碰撞响应时间更短、碰撞冲击力更小。

关键词： 气管导管内径   插管   气道狭窄   气道压   气道管理  

摘要： 目的:气道狭窄患者的术中气道管理是一个非常有挑战性的工作,其使用的气管导管内径往往小于常规使用的内径,成人术中使用气管导管内径的最小极限尚无研究阐明。本研究借助模拟肺,模拟标准身高体重的成人进行机械通气,观察不同内径气管导管通气时呼吸动力学的变化,以确定能满足其术中机械通气时气管导管的最小内径,从而为临床上需要使用小号气管导管插管的成人手术,选择气管导管内径提供理论参考。 方法: 本研究使用模拟肺（肺顺应性设置为50m L/cm H2O）连接不同内径气管导管（内径为3.0mm-7.5mm）进行机械通气,采用容量模式通气。通气参数设置如下:潮气量（VT）分别设有240m L、280m L、320m L、360m L、400m L、440m L、480m L、520m L、560m L、600m L;呼吸频率（RR）设有12次/分、14次/分、16次/分;吸呼比（I:E）设有1:1.5、1:2;呼吸暂停时间为呼吸周期的10%,外源性呼气末正压（PEEPe）为0cm H2O。主要研究指标为气道平台压（Pplat）,次要研究指标为气道峰压（Ppeak）和内源性呼气末正压（PEEPi）。每种参数组合下采集5次数据,使用SPSS 25.0软件进行统计分析、Graphpad prism 7.0软件作图,显著性差异设定为P<0.05水平。 结果: 本研究对内径为3.0mm-7.5mm的气管导管-肺模型进行机械通气,观察其呼吸动力学的变化。5.0mm-7.5mm的气管导管,始终可以满足通气需求;4.5mm的气管导管,在选择适当附加呼吸参数时,可以满足大潮气量的通气需求的;3.0mm-4.0mm的气管导管,当潮气量上升到一定程度时,就不能满足通气需求。经过单因素相关分析发现气道平台压与气管导管内径、潮气量、呼吸频率有显著相关性（P<0.05）,而与吸呼比相关性无统计学意义（P>0.05）;气道峰压与气管导管内径、潮气量、呼吸频率、吸呼比均有显著相关性（P<0.05）。经过多元非线性回归分别得出气道平台压模型与气道峰压模型（见正文）。本研究中内源性呼气末正压最高约为7cm H2O。 结论: 模拟标准身高体重的成人进行机械通气时,4.5mm的气管导管可以满足其通气需求。决定气道平台压最主要的影响因素是潮气量,其次为气管导管内径、呼吸频率;决定气道峰压最主要的影响因素是气管导管内径,其次为潮气量、呼吸频率、吸呼比。 图22幅,表8个,参考文献60篇

摘要： 2014年1月原机械与材料学院更名为机械与动力学院,学院现设有机械设计制造及其自动化、机械电子工程、材料成型及控制工程、工业工程、能源与动力工程、核工程与核技术六个本科专业,其中机械设计制造及其自动化为国家特色专业、第二批卓越工程师教育培养计划专业和省本科品牌专业,材料成型及控制工程为第三批卓越工程师教育培养计划专业。拥有机械工程一级硕士点、机械工程专业学位点、机械工程领域工程硕士点、工业工程专业学位点,机械制造及其自动化为湖北省重点学科。目前,在校全日制本科学生近2000人,在读研究生160余人,毕业生的一次就业率一直保持在90%以上。学院拥有水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室,工程训练中心等,实验室建筑面积1.2万平米,设备仪器总值2000余万元。

关键词： 机械密封   动力学   温度场   热变形   流场  

摘要： 机械密封作为旋转动力机械中必不可少的装置,在高压、高速等高参数工况下受到广泛应用。在机械密封作业过程中,由于载荷的作用,使密封环发生力变形和热变形。当前,国内外对于密封端面力学变形、热学变形以及端面稳态传热特性等方面的研究仍存在不足。运行中的密封环会因外界因素的影响或工况的变化而产生振动,造成端面磨损加剧。随着技术的发展,越来越多的研究开始关注机械密封的动力学特性和轴向振动对其性能的影响,以提高机械密封的理论寿命,并且减少实际泄漏量。 本文旨在通过有限元分析的方法,研究某企业内部装置的机械密封的动态行为,探讨轴向振动对其性能的影响。使用SOLIDWORKS软件建立了模型,并对其中的液膜特性、力学变形和热变形进行了深入的研究。主要研究内容有: (1)经过深入的分析,建立描述密封环运动的模型。考虑了轴向振动因素,推导出密封端面所承受的力和力矩的方程。最后,使用MATLAB来求解模型,并研究了弹簧刚度对密封性能和系统寿命的影响。 (2)采用三维N-S方程,分析摩擦副端面间隙中的流体,以及其相应的压力、速度和质点轨迹,从而获取流场分布状态,并利用仿真技术得到液膜的压力和进口压力以及其相应的端面最高压力和转速之间的相互影响。 (3)分析密封环热变形及热力耦合变形。利用ANSYS WORKBENCH求解摩擦副端面温度分布,通过构建热力耦合场得到变形情况,探究了端面变形受工况参数的影响。结果表明:温度的增加主要发生在密封端面上,且内径处温度高于外径处温度,沿轴向逐渐减小;热变形远大于力变形,在耦合作用下的变形规律与温度影响下的变形规律较为接近,表明热变形主要是产生端面变形的主要因素;增大转速或增大介质压力,均会导致热变形量的增加。

关键词： 核工业   动力机械手   辅助观察系统   位姿   尺度不变特征转换  

摘要： 随着核电规模的快速发展,动力机械手在核工业场景中被广泛应用于核设施的安全运维与退役治理、核事故应急处理等工作中。然而由于障碍物遮挡等因素,操作员仅通过防辐射观察窗很难掌握热室内机械手的工作情况,存在安全隐患。因此针对这一现状开展核工业动力机械手辅助观察系统的研究,辅助操作员控制核工业机械手完成一系列工作。 首先,对操作员观察热室内机械手工作过程中存在的一系列问题进行分析,结合企业需求,提出基于Unity3D开发核工业动力机械手辅助观察系统的总体方案。对机械手控制系统中以太网控制自动化技术现场总线进行研究,并完成真实机械手关节数据的采集工作,实现虚实机械手同步运动效果。同时对数据传输的准确性和延时性进行测试,验证其结果满足实际需求。其次采用基于图像的方法获取目标物体三维位姿信息,使用畸变系数对工作现场图像进行去畸变处理,并采用中值滤波方法降低图像噪声。利用尺度不变特征转换算法从处理后的图像中提取目标物体的特征点,并提出建立KD树的思路对特征点匹配方法进行优化,进而完成物体位姿数据的求解。最后结合Unity3D和C#语言开发核工业动力机械手辅助观察系统软件,集成所有功能并开发人机交互界面,并对其中一些重要功能进行测试,验证系统功能的有效性。 最终的研究成果开发出一套适用于核工业动力机械手的辅助观察平台,并为机械手操作人员提供培训及安全人机工作环境。

关键词： 凸轮换刀机构   复合凸轮   推杆式   摆杆式   动力学仿真  

摘要： 自动换刀机械手装置是机床的重要组成部分之一。现有的自动换刀机械手装置驱动机构大多为单复合凸轮摆杆式换刀机构。单复合凸轮摆杆式换刀机构中由于费力杠杆结构的存在使得承载能力有限。该机构在换刀过程中将接触位置的振动误差放大,最终作用于机械手,影响机械手运动的平稳性。针对该问题,本文提出了无费力杠杆结构的双复合凸轮推杆式换刀机构。通过对推杆式和摆杆式凸轮换刀机构的动态特性对比分析,探讨推杆式凸轮换刀的可行性。 本文以数控机床换刀机械手为研究对象,以换刀机械手机构上下运动从动件选型作为切入点,主要从以下几个方面进行了研究: (1)分析传统单复合凸轮摆杆式换刀机构的弊端,提出了双复合凸轮推杆式换刀机构。根据实际要求设计了各凸轮机构的运动循环图,基于改进正弦加速度运动规律设计了凸轮机构运动曲线。参考传统机械手换刀装置设计了单复合凸轮摆杆式换刀机构。根据实际需求设计了双复合凸轮推杆式换刀机构。针对传统建模流程中点坐标计算无序问题提出了曲面曲线有序编号方法并应用在复合凸轮的建模过程。基于Matlab和Creo建立了复合凸轮的三维模型,在此基础上完成单复合凸轮摆杆式和双复合凸轮推杆式换刀机构的建模工作。所完成的三维模型为后续分析提供数据基础。 (2)基于实际工况推导凸轮换刀机构的压力角模型,在此基础上推导负载状态下从动件与凸轮之间的接触力方程。根据现有的参数使用Matlab对摆杆接触力和推杆接触力作定量分析,在理论上得到摆杆接触力大于推杆接触力的结论。 (3)考虑负载转动惯性冲击因素,采用质量体方法模拟机械手负载,基于ADAMS动力学仿真平台中对摆杆式和双复合凸轮推杆式换刀机构作动力学仿真分析,得到两类换刀机构中机械手速度曲线、加速度曲线以及从动件接触力变化曲线。将进行对比分析,根据结果验证了复合凸轮以及凸轮换刀机构设计的正确性,同时也发现了双复合凸轮推杆式换刀机构的不足性。对作去除右侧弧面凸轮机构的优化,得到单复合凸轮推杆式换刀机构。再次对仿真数据作对比分析,结果表明:优化后得到的单复合凸轮推杆式换刀机构弥补了双复合凸轮推杆式换刀机构中所存在的不足,单复合凸轮推杆式自动换刀机构在机械手直线运动和回转运动过程中的换刀平稳性高于单复合凸轮摆杆式和双复合凸轮推杆式,且从动件所受的冲击也较小,机构承载能力也有一定的提高。 (4)选择双复合凸轮换刀机构搭建了缩放比例因子为0.5的双复合凸轮换刀机构实验平台,通过布置在机械手中心下端位置的姿态传感器获取负载状态下机械手运动时的XYZ三轴的角位置、角速度、直线加速度变化曲线,以机械手角速度为纽带,建立设计,仿真、实验之间的联系,实验结果验证了推杆式凸轮换刀机构的可行性。 本文的研究对数控机床凸轮自动换刀方案提供了一种新的思路,对于机床凸轮换刀机构的设计具有一定的指导意义。

关键词： 伞形钻机   井筒工程   有限元分析   动力学特性   优化设计  

摘要： 经济振兴,交通先行,我国交通运输事业基础建设正蓬勃发展。现有专业机械掘井设备很难被应用于微小型井筒工程,因此,桥梁桩基井筒施工仍以人工钻爆法为主,存在效率低下、安全性差、劳动强度大等诸多问题。为实现机械代替人工完成井底高强度工作,课题组采用伞形钻机作为井筒施工辅助工具,以提高井筒施工机械化程度。本文以伞形钻机单臂为研究对象,对机械臂结构尺寸、动力学特性进行分析、计算和优化,为课题组提供可行性方案和理论支撑。本文主要研究内容有:(1)伞形钻机机械臂杆长求解。基于MDH法建立了简化的机械臂运动学方程,用Matlab求取关节区间位姿点云,并求解点云区域包络曲线函数;以井筒约束包络曲线方式考虑井筒内部空间限制,采用粒子群-遗传优化算法对杆长参数求解;对求解的杆长参数采用蒙特卡洛法验证可行性,结果表明,求解的杆长参数能完成井底钻孔任务。(2)反力载荷求解。载荷对动力学特性分析有较大的影响,为了获得较为准确载荷数据,以LS-DYNA进行凿岩过程数值模拟。建立凿岩过程非线性动力学分析模型,探究凿岩参数(推进力、转速、冲击能)对钎头反力、位移及钻进速率影响规律;根据各参数组载荷规律,组合极限凿岩参数,再次模拟获得凿岩反力载荷,为动力学特性分析和优化提供数据支持。(3)动力学特性分析。探究伞形钻机机械臂动力学特性规律,是动力学性能优化前提。首先,开展了瞬态动力学分析,分析了最大等效应力、变形产生位置和形式;随后开展了模态分析,探究振动频率和振型,发现第6阶固有频率距离环境激振频率较近;为了探究环境激振频率影响,又开展了谐响应分析,分析了频率应力、位移响应,分析发现,第6阶固有频率容易被环境激振源激发,引起系统共振。(4)动力学特性优化。较轻的质量可以降低能耗并提高设备便携性,较低的变形可以提高位姿控制精度,较低的应力可以提高结构安全性,远离激振频率可避免系统共振,本文基于这些目标展开优化。采用DOE实验设计方法进行了动力学模拟仿真,并用支持向量回归模型代理上述目标响应函数;基于Sobol’灵敏度分析法,分析了伸缩臂尺寸参数对全局响应的灵敏度和交互作用的影响,以降低模型复杂性;对蝗虫优化算法介绍,引入具有振荡特性的三角函数改进蝗虫优化算法,并对改进算法进行基函数测评,验证了改进算法的优越性;采用模糊层次分析法分配目标权重,将多目标优化转换为单目标综合优化,随后使用改进的蝗虫优化算法求解综合优化函数;将优化结果进行模拟仿真验证,结果显示,优化后的各目标性能有较好的提升,环境激振频率距相邻固有频率均超激振频率30%,避免了环境激振源引发系统共振,同时,降低了结构应力、变形以及质量。表明本文采用的方法应用于伞形钻机性能提升有较好效果。

关键词： 水下机械臂   水动力系数   压力系数   流固耦合  

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,水下设备维护等方面。与陆上机械臂相比,水下机械臂在工作过程中不仅要克服本身的重力及有效载荷,还要克服由水环境引起的水动力和水力矩的影响,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,本文开展基于计算流体力学的水下机械臂水动力学研究,探究水流环境以及水下机械臂姿态对水下机械臂水动力的影响规律。本文的主要研究内容如下:首先,在只考虑端面绕流的情况下,对水下机械臂模型进行了仿真计算,探究水流速度与水下机械臂姿态对水动力系数（阻力系数CD、升力系数CL、力矩系数CM）、压力系数Cp和斯特劳哈尔数St的影响。结果表明,水流速度在一定范围内会使水动力系数和St增大,但当速度增大到使雷诺数处于超临界范围时,水动力系数与St将不会再有明显的变化。当水下机械臂姿态关于坐标轴或坐标原点对称时,其具有相同的水动力系数与表面压力系数分布。同时,在研究中发现半圆形前缘与直角形前缘相比,半圆形前缘会降低水动力系数的大小,也会使尾部更容易出现卡门涡街。然后,综合考虑侧边绕流与端面绕流对水下机械臂的影响,对水下机械臂三维模型进行数值模拟。结果表明,在流体流经水下机械臂时,侧边绕流与端面绕流同时存在又互相影响。侧边绕流是流体通过水下机械臂的主要方式,但是端面流体的轴向流动会对端面附近的漩涡脱落产生影响。随着水下机械臂的转动,端面流体的轴向流动会发展到整个臂段,从而使整个臂段的尾流场不再存在漩涡脱落。通过分析不同姿态下水下机械臂的水动力系数可以发现,当水下机械臂姿态关于坐标轴或坐标原点对称时,其具有近乎相同的水动力系数与表面压力系数分布。最后,对水下机械臂进行双向流固耦合计算,并将结果与无耦合时进行比较。通过分析不同流速下的水下机械臂的水动力系数可知,当雷诺数处于6×10～3≤Re≤3×10～4的范围时,随着水流速度的增加,水动力系数逐渐较小,而St是逐渐增大的。通过分析有无流固耦合时的结果发现,结构体因流体作用而产生的变形会使端面流体的轴向流动距离变短,且顶端处的涡量增大。同时,这种变形还会导致水下机械臂的水动力系数的减小,且水动力系数的减小幅度随着变形量的增大而增大。