关键词： 绝对节点坐标法   组集方法   链式机械臂  

摘要： 随着人民对于自然科学的不断快速探索和人名对于更高物质生活水平的不断追求,人们越来越开始重视机械,车辆,机器人,卫星,火箭等动力学特征。进而越来越多的多体系统问题被提出,并且随着计算机,计算软件以及数值计算方法的不断提升与改进,为这类问题的建模以及计算分析提供了可能性。为了解决这些问题,人们提出了很多方法,包括相对坐标发,绝对坐标法。其中绝对节点坐标法是由夏巴纳于1996年最早提出的,本文就采用这种方法处理多体系统,但是和以往的绝对节点坐标法处理多体系统不同的是,在建立动力学方程的时候,杆件与杆件之间,采用组集的方法进行拼接,对于杆件之间不同的连接方法,组集的方法也各不相同。本论文研究由N个柔性杆与N个刚性铰组成的链式机械臂问题。把刚性铰简化成集中质量,并采用绝对节点坐标法,并通过组集方法建立链式机械臂动力学模型,推导出系统的动力学方程,并且通过数值仿真算例验证组集方法。同时运用非组集方法,与组集方相对比。组集方法因为在得到动力学方程之前已经将约束引入,得到的动力学方程更加简化,而非组集方法得到的动力学方程需要考虑约束关系,所以在计算的时候运算量更大,所以理论上,组集方法能够在运算时间更短的前提下得出与非组集方法完全一样的结果。通过对两种结果的对比,验证这一想法的准确性。

关键词： 无人机   机械臂   动力学模型   模糊PID  

摘要： 对于无人机的控制研究已经非常成熟,无人机本身就是一个欠驱动系统,加上机械臂之后整个系统变得更加复杂、耦合性更强,机械臂与无人机的相互作用会使现有无人机的控制方法失效,让无人机和机械臂稳定协调工作是一大挑战。针对这一难题,本文设计了带机械臂的四旋翼无人机系统的控制方法,实现了无人机按照规划的路径稳定飞行,同时能够满足机械臂抓取目标物体飞行的动作。具体研究内容如下:1.论述了无人机的基本飞行原理以及控制方法,根据动力学模型,采用传统PID控制算法设计了控制通道,在simulink中建立了无人机的控制模型。之后设计了一种验证方法,它是将控制模型与在Solidworks中绘制的无人机三维模型联合起来,从而验证控制模型的有效性。2.利用拉格朗日法建立带臂无人机的动力学模型。根据模型可以反映出一个系统的复杂性,同时也能反映出影响无人机系统的各个因素,分别对这些因素进行控制,从而达到对带机械臂的四旋翼无人机整个系统的稳定控制的目的,因此建立动力学模型,为后续设计控制方法做铺垫。3.根据推导出的带臂无人机动力学模型,采用传统PID控制算法构建了控制量,搭建了控制通道,并结合无人机和机械臂的控制原理设计了一套控制方法,在simulink模型里实现了对带机械臂的四旋翼无人机的稳定控制,并且采用了设计的验证方法进行了验证。4.根据设计的带机械臂的四旋翼无人机控制方法,改进了PID控制算法。由于传统PID的参数是固定的,无法同时满足超调量小、达到稳态时间快的特殊任务要求,因此采用模糊PID控制算法进行控制。根据仿真中的结果显示,模糊PID控制算法相比传统PID控制算法:其中各个通道的超调量为0%;达到稳态的时间提高了5倍;在受到干扰时恢复到稳态的时间提高了30%。本文将带机械臂的四旋翼无人机当做一个整体设计控制方法,是首次将模糊PID算法应用到这种控制方法中,它的应用提高了带臂无人机的位置精度、减少了达到稳态值的时间、增强了抗干扰性,对于带臂无人机的应用场景具有拓展性的意义。

关键词： 机器人   动力学   参数辨识   模型误差   力矩补偿  

摘要： 多自由度串联机械臂被广泛应用于各种工业生产过程中,极大地提高了工作效率,促进了经济效益。随着技术进步和工业发展,智能化、集成化、高性能运动控制对工业机器人的发展提出了新的要求。工业机器人系统高度复杂且非线性严重,关节耦合、摩擦特性、负载变化、外部干扰等因素均能对机械臂的精确控制造成影响。当前,基于动力学模型的机械臂高性能运动控制成为技术研究的热点与难点。机械臂存在着复杂的耦合关系和严重的非线性,如非线性摩擦、关节柔性、电机力矩波动等。动力学逆解将耦合与非线性关系考虑在内,通过已知轨迹的关节位移、速度与加速度求解机械臂各关节的力或力矩。但通常,机器人动力学系统又存在结构与非结构不确定性。结构不确定性是指由参数辨识引起的模型误差,非结构化不确定性是指未进行模型描述的动力学特征。由于数学模型无法将所有机器人运动控制中的影响因素进行表述,所以,无论使用多么复杂的建模方法,机器人动力学总是存在不确定性,造成力矩预测误差。近年来,人工智能学习方法方兴未艾,深度学习具有强大的非线性拟合能力和良好的容错性,这为解决机器人参数辨识精度低导致的力矩跟踪误差问题提供了契机。对此,本文进行了基于动力学模型与深度学习误差补偿的机器人高精度关节力矩预测技术研究。本文的研究内容如下:1.六自由度工业机器人动力学参数辨识研究实验设备选为Universal Robot 5（UR5）六轴旋转型机械臂,采用牛顿-欧拉法（Newton-Euler）建立数学动力学模型,推导得到可辨识参数的最小参数集,采用零相位数字滤波与巴特沃斯滤波等数据处理方法处理实验数据,进而进行动力学参数辨识。通过验证轨迹进行辨识参数精度检验,使数学动力学模型可以获得相对准确的转矩预测,预测力矩精度满足各关节力矩预测误差小于最大转矩的10%,表明了良好的辨识精度。同时,利用Simulink建立动力学参数辨识的全过程,并利用GUI开发UR5型机械臂参数辨识面板,使参数辨识操作过程更加简便,辨识结果显示更加直观。2.基于机器人操作系统的运动轨迹规划方法研究利用机器人操作系统（Robot Operation System,ROS）开发的机器人具有良好的通用性,它包括许多开发者提供的抽象硬件数据包与机器人控制函数,其开源代码的形式使代码的复用性与开发效率得以提高,基于ROS的运动规划与控制具有重要的理论意义和工程价值。本文利用基于Move It!的工业机器人运动规划方法对UR5型机械臂进行了轨迹规划与运动控制。同时,采用Gazebo与RVIZ进行联合仿真、RVIZ与真实机械臂进行实验验证,实验结果表明,基于ROS的运动规划与控制方法具有良好的效果。3.提出一种基于深度学习的预测力矩误差补偿模型本文首次将深度学习应用于辅助六自由度机械臂动力学参数辨识的不确定性因素补偿。提出了一种基于深度神经网络的误差补偿模型——不确定性补偿模型（Uncertainty Compensation Model,UCM）,以补偿动力学不确定性引起的力矩误差。UCM主要由提出的输入控制模块（Input Control Module,ICM）和提出的基于长短时记忆单元和注意力机制的误差学习模型（Error Learning Model,ELM）组成。考虑到机器人动力学参数的耦合特性,提出的ICM用于控制ELM的有效输入,可有效避免输入数据对模型学习造成不必要干扰。ELM单元为误差学习模型,它的输入为经过ICM处理后的数据,它的输出为特定关节的力矩误差估计值。由ELM单元组成的ELMs用于从序列数据中提取显著数据特征以预测机械臂六个关节的力矩误差。本文总结了有效输入、时间步长和注意力机制对UCM性能的影响。本文利用UR5机械臂对提出的力矩补偿模型UCM进行验证。实验结果表明,与数学动力学模型的预测力矩相比,所提出的UCM具有良好的捕捉摩擦特性和补偿局部最大力矩误差的能力,各关节力矩预测误差精度达到力矩误差小于最大转矩的6%,有效地解决了数学动力学模型存在的不足,提高了力矩预测精度。

关键词： 空间机械臂   系统设计   动力学建模   柔顺力位控制   外力估计  

摘要： 随着我国航天事业的蓬勃发展,空间维修技术已经成为了航天科技领域的一个研究重点。空间机械臂作为空间维修任务的主要执行机构,具有高精度、自主性以及大负载自重比等特点。针对空间维修的需求,本文在现有理论基础上对机械臂系统设计、动力学建模以及控制等问题展开深入的分析与研究。首先,对空间维修任务需求进行分析。根据任务需求设定了机械臂性能指标,进而确定了机械臂构型以及关节设计方案,并介绍了机械臂建模的理论基础。然后,对机械臂进行动力学建模以及仿真软件开发。通过对机械臂进行运动学建模,得到了旋转变换矩阵和关节运动参量。在此基础上,使用Ju-Kane法对机械臂建立动力学规范型方程,并分析了建模方法性能。为了完善动力学模型以及提高控制稳定性,对关节摩擦建立Gauss模型,采用混合型遗传算法辨识该模型参数,并进行仿真与实验验证。基于VS平台和MFC框架开发了动力学仿真软件,验证了建立的动力学模型的正确性。最后,基于建立的动力学模型进行机械臂柔顺力位控制与末端外力估计。针对机械臂快速轨迹跟踪的需求,采用改进预测控制方法来实现。当机械臂与环境未接触时,采用模糊变边界层的滑模控制方法来实现力位控制,保证系统强鲁棒性的同时还减小了抖振。当机械臂与环境接触时,采用自适应调节阻尼系数的阻抗控制方法来实现柔顺控制,提高了系统对环境的鲁棒性。针对无末端力传感器的机械臂外力估计需求,采用基于广义动量的卡尔曼滤波算法来实现末端力估计。编程仿真程序验证了控制方法及外力估计方法的正确性。

摘要： 潍柴集团年产销发动机预计突破100万台,完成20万台工程机械产品的配套销售。其中,挖掘机配套销售2万台,装载机配套销售11万台,起重机配套销售3万台。"2021年,潍柴集团年产销发动机预计突破100万台,创造历史性佳绩。潍柴工程机械动力也呈现大幅增长,完成20万台工程机械产品的配套销售。其中,挖掘机配套销售2万台,增长翻番;装载机配套销售11万台,市场占有率达80%;起重机配套销售3万台,市场占有率超65%。"

关键词： Rv1592c   lipase   isonazid resistance   mutation   M. tuberculosis   molecular dynamics  

摘要： Background: Multi drug-resistant tuberculosis is a major health threat to humans. Whole genome sequencing of several isoniazid (INH) resistant strains of M. tuberculosis revealed mutations in several genes. Rv1592c was demonstrated as lipolytic enzyme and its expression was up-regulated during isoniazid (INH) treatment. The valine at position 430 of Rv1592c was mutated to alanine frequently in the INH resistant strain of M. tuberculosis. Methods: In this report, an array of computational approaches was used to understand the role of Va1430-Ala mutation in Rv1592c in INH resistance. The impact of mutations on structural stability and degree of INH modification was demonstrated using the molecular dynamics method. The mutation in the Rv1592c gene at V430 position was created by the PCR primer walking method. Mutant and wild type gene was cloned into E. coli-mycobacteria shuttle vector (pVV-16) and expressed in Mycobacterium smegmatis system. The isoniazid susceptibility assay was performed by agar plate culture spot and CFUs count assay. Results: This study demonstrated that the Va1430 in Rv1592c makes the part of flap covering the substrate binding cavity. Mutation at Va1430-Ala in Rv1592c caused the displacement of the flap region, resulting in uncovering a cavity, which allows accessibility of substrate to the active site cleft. The Va1430-Ala mutation in Rv1592c created its structure energetically more stable. RMSD, RMSF and Rg simulation of mutant maintained overall stability throughout the simulation period while the native protein displayed comparatively more fluctuations. Moreover, docking studies showed that INH was bound into the active pocket of the mutant with considerable binding energy (-6.3 kcal/mol). In order to observe constant binding for INH, complexes were simulated for 50 ns. It was observed that after simulation, INH remained bound in the pocket with an increased molecular bonding network with the neighbor amino acid residues. In vitro studies cl

关键词： 机械手   核电   遥操作   拆卸作业  

摘要： 核电是我国能源可持续发展的重要组成部分,是国家战略性资源。经过30多年的发展,中国已成为核电大国,随之而来的核设施退役问题也迫在眉睫。核设施退役是一项非常复杂的系统工程。随着退役工作的深入开展,相当一部分退役工作难点集中在辐射量高,空间受限度大的工作场所,如“0”平面以下的退役设备室,常常涉及到工艺设备、管道的拆除。由于核设施退役设备室中放射性较高,空间狭窄,而目前高辐射作业环境中多采用人工操作的方式,自动化和智能程度较低,为了保护拆除人员安全,避免遭受大量辐射,具备遥操作控制功能的拆卸作业机器人系统成为重要和必需的核退役装备,其技术研究和应用水平也成为一个国家核工业技术发展的重要标志之一,目前核电机器人的关键技术主要包括抗辐照技术、可靠通信技术、智能控制技术等,对于这些关键技术,我们国家科研人员经过多年的研究,也取得了不小的成果,但是在试验应用过程中还是暴露了不少问题。因此,对核电动力机械手遥操作控制技术的研究具有重要的理论意义和实践价值。本文主要对一种五转一平移的六自由度核电动力机械臂的遥操作控制系统进行设计与研究。通过远程上位机操控系统对机械臂进行遥操作控制以及现场数据,实时图像采集显示,并与下位机控制系统进行交互。具体研究内容包括:(1)根据核电动力机械手操作的功能需求,制定控制系统的总体方案,运动控制方案、绘制电气原理图、各单元器件选型、遥操作控制程序以及交互界面程序的设计。(2)针对核电动力机械手的设计结构,对其构建改进后的D-H模型(MDH模型),并进行正、逆运动学分析和数学推导,求得正、逆解。采用蒙特卡洛法对机械手的工作空间进行求解运算。利用MATLAB的机器人仿真工具箱对机械手仿真,在此基础上对正逆运动学求解和工作空间进行分析,并验证其正确性。(3)基于固高科技NC610控制器,以QT为开发平台,实现对机械手伺服模块的运动控制并设计下位机控制系统交互界面;使用PXN系列遥操作手杆,结合Direct Input游戏手柄开发函数库,开发实现上位机控制系统端的遥操作功能;利用研华工控机作为上位机系统PC,进行实时视频图像的采集,并利用Socket通信技术,实现下位机机械手运动控制系统和上位机系统的双向通信,从而保证遥操作控制命令、状态信息等数据的传输,采用TCP协议也保证了数据传输的准确性和可靠性。(4)最后,搭建核电动力机械手控制系统实验测试平台,分别对其进行功能测试,Socket通信效率测试和系统稳定性测试。实验结果表明,搭建的核电动力遥操作控制系统具有良好的稳定性,并且能够实现精确定位,满足了其控制系统的功能和指标要求。

关键词： Magnomechanical phonon laser   Non-Hermitian photonics   Quantum noise   Coupled waveguides   Optical damping and gain   Entangled light fields   Gain saturation   Simulated phonons  

摘要： In this dissertation, we have investigated quantum dynamics via three case studies. First, we studied a system of two coupled waveguides respectively carrying optical damping and optical gain in addition to squeezing elements in one or both waveguides. Such a system is expected to generate highly entangled light fields in the two waveguides. We, however, show that the degree of the created entanglement is significantly affected by the quantum noises associated with the amplification and dissipation. Because of the noise effect, one can only have nonzero entanglement for a limited time interval. Second, we generalized the first project by considering the gain saturation effect. The nonclassical properties of light are highly relevant to the gain saturation that influences the quantum noise. We explained the impact of gain saturation on a quantum light field dynamically evolving in the coupled system. In contrast to the ideal situation without gain saturation, one can achieve a steady state under the gain saturation. Moreover, gain saturation reduces the influence of amplification noise and thereby better preserves such quantum features as entanglement. We illustrate the effects of gain saturation by examining the time evolution of the Wigner function, the entanglement of the light fields, and the cross-correlation function between the two output modes. Significant differences exist between unsaturated and saturated situations, especially for low photon numbers. Finally, we studied a magnomechanical phonon laser beyond the steady-state that includes a microwave cavity with a ferromagnetic sphere installed in it. The system is simultaneously driven by a microwave field and a constant magnetic field. Using the decomposition of the time evolution operator, we linearize the equations of motion and solve them numerically. Our results show there is an oscillatory population inversion between the optical supermodes. However, it is possible to obtain stimulated phonons with r

关键词： 空间机械臂   行星齿轮传动   齿侧间隙   动力学响应   模态分析  

摘要： 随着中国航空航天科技的发展,空间机械臂作为太空环境中配合航天员展开工作的核心装备,急需对其展开研究。传动关节作为空间机械臂的核心部件,其运动精度与稳定性对完成太空作业的影响尤为明显。行星齿轮机构作为传动关节的重要组成部分,其运动的稳定性直接影响着机械臂的工作精度。因此,本课题以某空间机械臂上的行星齿轮传动系统为对象,完成对传动机构的三维建模、动力学建模、数值求解及动态特性分析等工作。本文的主要研究内容如下:(1)在查阅国内外相关文献的基础上,分析行星齿轮传动系统非线性动力学的研究现状及其最新进展,总结了空间机械臂中行星齿轮传动机构研究的成果与不足。根据空间机械臂行星齿轮传动机构相关参数,对总体传动机构进行三维建模,为模态分析提供基础,并计算其总传动比。(2)分析了系统传动误差的四个主要因素:啮合刚度、综合啮合误差、齿侧间隙及啮合阻尼,在此基础上选用质量集中法建立行星齿轮传动系统的非线性动力学模型。借助5阶变步长Runge-Kutta数值积分法对动力学方程组进行求解,并分析在不同误差因素变化等情况下,对系统的动态响应影响。结果表明:当齿隙增大时,齿轮的振幅随之增大,齿轮扭转振动变得更加剧烈;当啮合误差增大时,系统响应出现分叉,周期性变得混乱,随着啮合误差持续增大,系统混沌响应的范围也在增加;当激励频率增大时,系统会经历一系列单周期、多周期及混沌运动的变化。(3)在三维模型的基础上,建立传动机构的有限元模型,并进行模态仿真分析,研究了传动机构前六阶振型与固有频率,通过与理论模型计算值进行对比验证了理论模型的正确性。引入了模态能量的概念,在系统的固有特性的基础上,对系统在不同工况下各阶模态振动能量分布进行了分析。分别计算了在启动、稳态及急停工况下,系统前四阶振动的模态能量比值,分析了不同工况及间隙大小对系统振动变化趋势的影响:齿轮的非稳态振动中,主要由高阶模态振动主导;齿轮稳态振动过程中,振动主要表现为低阶模态振动。论文研究内容为进一步研究行星齿轮传动系统的动态特性及结构优化奠定了基础。