关键词： 机械臂运动控制   位置/力混合控制   重复控制   自适应鲁棒控制   机械臂动力学参数辨识   系统辨识   参数估计  

摘要： 机械臂系统已经在工业生产中取得了广泛的应用,其应用场景正逐步向智能制造和服务业等行业扩展。控制系统作为机械臂的“大脑”,对机械臂稳定、安全、高效的运行有着至关重要的作用。传统的工业机械臂通常在特定工况下的隔离的工作台上工作,控制算法的设计需要克服多自由度的系统耦合、强非线性等难题,其控制性能要求通常仅是控制精度。而随着应用场景的拓宽,现代机械臂需要更多地与人协同作业或需要适应未知的工况,这引入了动力学不确定性的控制难题,如未知负载动力学、未知干扰动力学以及未知交互环境动力学等不确定性,而在控制性能上也对高效性和安全性、适应性、学习能力、稳定性和鲁棒性等综合性能提出更高的要求。本文以上述现代机械臂控制系统的若干性能要求为导向,针对当前工业现场中和未来机械臂应用中可能面对的应用场景,具体地归纳分类了几种典型的机械臂的控制应用。然后,针对这些控制应用,以常用的六自由度工业机械臂为研究对象,在准确的离线系统辨识和安全的人机协作的基础上,深入开展了动力学不确定性下的机械臂的自适应鲁棒位置/力控制研究,克服了工况变化和外干扰等引起的系统动力学不确定性、以及耦合非线性动力学等控制难题,最终实现了包括控制精度在内的各方面的综合性能要求。本论文共分为六章,现分别简述如下:第一章,首先介绍了机械臂运动和力控制的研究背景,总结了传统机械臂控制系统设计的研究难题。然后针对现代机械臂的动力学不确定性等问题,分类了机械臂的几种典型的控制应用,并介绍了相关的研究现状及目前研究的局限性。最后概述了本课题的研究内容和研究意义。第二章,针对多自由度机械臂本体具有大量的未知动力学参数的问题,提出了基于关键参数集的机械臂动力学参数辨识方法,在不牺牲辨识精度的前提下,采用较少的参数表征系统的主要动力学特性。然后,在辨识得到的系统动力学的基础上,设计了工业机械臂的拖动示教方法和碰撞检测方案,作为后续控制算法设计等相关研究的安全基础。第三章,为解决携带未知负载的机械臂的精确运动控制问题(负载动力学不确定性),提出了一种直接/间接自适应鲁棒运动控制算法,同时实现了准确负载在线估计和精确运动控制。相比于广为人知的机械臂直接自适应控制,所提出控制算法提升了负载在线辨识精度、控制精度和鲁棒性。最后,先进行了单机械臂的运动控制对比实验,验证了所提出控制策略可以同时实现上述双重目标;进一步地,将此方案应用到遥操作系统中,验证了所提出方案可以通过主端力反馈更准确地复现从端负载的大小,从而提升了操作者的临场感。第四章,针对机械臂重复周期性运动的应用场景(周期性干扰动力学不确定性),提出了一种基于傅里叶级数展开的自适应鲁棒重复运动控制策略,在上一章研究的基础上,利用轨迹的周期性进一步提升控制精度。和迭代学习控制相比,所提出方法不需要在每次迭代开始时标定运动的起始点;和机械臂传统的重复控制相比,所提出方法提升了瞬态控制精度和跟踪误差的收敛速度。最后,通过对比实验验证了所提出算法的上述优势。第五章,为解决机械臂和具有未知参数的环境的交互问题(交互环境动力学不确定性),提出了一种自适应鲁棒位置/力混合控制算法,通过在线学习交互环境的未知参数实现接触面切向的运动控制和法向的力控制。最后,通过在未知倾角的斜面上的实验验证了所提出控制策略的有效性。第六章,归纳总结了本论文的主要工作,阐述了研究结论和创新点,并对后续研究进行了展望。此外,在附录中给出了机械臂本体的动力学参数的离线辨识结果。

关键词： 腔光机械系统   动力学相变   选择性能量交换   模压缩   模分裂  

摘要： 近年来,与腔光机械系统相关的量子力学行为得到广泛研究,其中量子非线性行为已成为重要研究内容。相变演化方程是表征伴随新相生长中各相含量随时间的演化。目前,相变演化方程是通过相变驱动力、温度和相变弛豫时间来表征新相质量分数,该方式是基于唯象理论得到的,缺点是忽视了相变发生中的物理机制。另外,以量子不确定关系为基础的模压缩也发展为腔光机械系统中的热点问题。本文分别探究了单模腔光机械系统和双模腔光机械系统中的动力学相变和选择性能量交换。我们发现:无论单模腔光机械系统还是双模腔光机械系统,系统都会经历类似于Dicke-Hepp-Lieb超辐射类型的动力学相变,且在双模腔光机械系统中通过调控腔模与机械模之间的耦合强度或两腔耦合强度都会出现新的动力学临界点;双模腔光机械系统的两腔耦合强度等价于两腔间无耦合时系统的外场驱动;通过腔模与机械模之间的耦合强度和两腔耦合强度的调节,任意两模间的选择性能量交换被实现,同时临界耦合点与选择性能量交换对应;模压缩是能量转换的标志,且任何两模之间的模压缩是由特定模之间的能量交换所决定。主要研究内容如下:(1)介绍了腔光机械系统的研究背景,主要从机械振子、腔光机械系统、相变和模压缩等方面进行了系统的阐述。(2)分析了单模腔光机械系统的动力学相变和选择性能量交换。我们首先将单模腔光机械系统的哈密顿量进行了旋转变换,然后得到了系统的有效哈密顿量;然后基于海森堡-朗之万方程,推导出系统相关算符的运动方程;最终给出了正常相下光模和机械模的激发能。通过激发能随耦合参数的变化,我们发现:该系统在临界点处发生的动力学相变与Dicke模型的正常相到超辐射的量子相变对应,动力学相变的稳定相对应于正常相,而动力学相变的不稳定相对应于超辐射相。由于该系统只有两模,所以并不是严格意义上的量子相变。基于量子不确定关系和波戈留波夫变换,我们给出坐标和动量的方差表达式。动力学临界点处坐标方差的不被压缩和动量方差的最大压缩表明模压缩是能量转换的标志。(3)探讨了双模腔光机械系统的动力学相变和选择性能量交换,分两光腔间无耦合和有耦合两种情况进行讨论。研究方法与第二章相同,但光腔模的增加导致一些新的动力学相变特性和新的动力学临界相变点出现。动力学临界点处显示出最大压缩,可见模压缩是能量转换的标志。基于傅立叶变换给出的模分裂,我们再次验证了:在双模腔光机械系统中不同耦合参数的调控可以实现不同模式的自主选择性能量交换。

关键词： 机械通气   早产儿   脑血流动力学   胶质纤维酸性蛋白   血管内皮生长因子   临床结局  

摘要： 目的早产儿脑损伤(BIPI)是指由于围产期的各种病理因素导致脑出血或缺血性改变,并出现中枢性呼吸暂停、惊厥、肌张力、原始反射异常等临床症状。早期临床症状往往不典型,需要依靠头颅彩超、头颅MRI、脑电图等助诊,彩色多普勒超声技术因其具有操作简便、灵活、无创等优势,已广泛应用于新生儿重症监护室;动态监测新生儿脑血流动力学变化,可及时发现BIPI。胶质纤维酸性蛋白(GFAP)主要分布于中枢神经系统的星形胶质细胞,参与细胞骨架的形成,维持其张力强度;血管内皮生长因子(VEGF)可以促进新生血管的形成,增强血脑屏障通透性,修复神经功能,两种血清生物学指标均能间接反映神经细胞损伤及程度。早产儿由于重要脏器发育未成熟,生后常易并发呼吸窘迫综合征(RDS),且往往需有创辅助通气;在帮助患儿建立有效呼吸的同时,基于早产儿脑组织解剖和生理发育不完善,机械通气还常可引起脑血流动力学波动等,导致BIPI的发生率增加。因此,通过研究不同机械通气策略对RDS早产儿脑血流动力学及血清GFAP、VEGF水平的影响,旨在为临床救治,选择合适的机械通气策略,减少BIPI等发生,提供新的思路和理论依据。方法1.研究对象 选取2019年01月至2021年01月于本院新生儿病区住院的54例机械通气早产儿作为研究对象,按照随机数字表法分为SIMV组(28例),SIMV+VG组(26例)。2.研究方法 常规治疗:入院后均予以温箱保暖、心电脉氧监护、肺表面活性物质、咖啡因、静脉营养等一般治疗。SIMV组采用SIMV模式,SIMV+VG组采用SIMV+VG模式。所有患儿于生后第1d、3d、7d天行床旁头颅彩超检查,以后隔周复查1次直至出院,如有异常可增加复查频率,并监测大脑中动脉(MCA)的血流动力学参数,即收缩期峰流速率(Vs)、舒张末期血流速率(Vd)、阻力指数(RI);于出院前或纠正胎龄40周时进行头颅核磁共振检查。所有患儿生后第1d、3d、7d采集静脉血1.5ml,应用双抗体夹心酶联免疫吸附试验(ELISA)法测定血清GFAP、VEGF水平。比较SIMV组和SIMV+VG组在不同时间点脑血流动力学参数(Vs、Vd、RI)及血清GFAP、VEGF水平的变化;同时分析血清GFAP、VEGF水平相关性;比较两组不同机械通气策略对及RDS早产儿临床结局的影响。3.统计学处理 采用SPSS 24.0统计软件行数据统计分析,计量资料以(x±s)表示,所有连续性变量均首先完成正态分布检测和方差齐性检测,组间比较采用独立样本t检验,同组内不同时间点比较采用重复测量方差分析;计数资料采用频数及率描述,组间采用Pearson's卡方检验或连续校正检验。相关分析采用Pearson相关性分析验证指标间相关性。结果P<0.05为差异有统计学意义。结果1.两组早产儿在性别、分娩方式、出生胎龄、出生体重等方面比较,差异均无统计学意义(P>0.05)。2.生后第1d,SIMV组与SIMV+VG组Vs、Vd、RI值差异均无统计学意义(P>0.05);生后第 3d,SIMV 组 Vs、Vd 大于 SIMV+VG 组,RI 小于 SIMV+VG 组,差异均有统计学意义(P<0.05);生后第7d,SIMV组的Vs、Vd值大于SIMV+VG组,RI值小于SIMV+VG组,但差异均无统计学意义(P>0.05);随着日龄的增加,两组早产儿Vs、Vd、RI值逐渐上升,生后第1d、3d、7d组内比较,Vs、Vd、RI值差异分别均有统计学意义(P<0.05)。3.生后第1d,两组早产儿血清GFAP水平相近,差异无统计学差异(P>0.05);生后第3d、第7d,SIMV组血清GFAP水平均分别大于SIMV+VG组,且差异均有统计学意义(P<0.05)。两组早产儿血清GFAP水平比较,生后第3d均较第1d升高,差异分别有统计学意义(P<0.05);生后第7d较第1d、第3d均降低,差异有统计学意义(P<0.05)。4.生后第1d,两组早产儿血清VEGF水平相近,差异无统计学差异(P>0.05);生后第3d、第7d,SIMV组血清VEGF水平均分别大于SIMV+VG组,且差异均有统计学意义(P<0.05)。两组早产儿血清VEGF水平比较,生后第3d均较第1d升高,差异分别有统计学意义(P<0.05);生后第7d较第1d、第3d均降低,差异有统计学意义(P<0.05)。5.血清GFAP与VEGF存在正相关线性关系。***组住院时间、死亡率、早产儿视网膜病变、支气管肺发育不良发生率均稍高于SIMV+VG组,但差异均无统计学意义(P>0.05);SIMV组有创机械通气时间长于SIMV+VG组,差异有统计学意义(P<0.05)。脑损伤18例,占33.33%,无脑损伤36例,占66.67%;SIMV组早产儿脑损伤发生率46.4

关键词： 绝对节点坐标法   变截面梁   面-面接触模型   接触区域  

摘要： 传统的刚性机器人受到其自身刚性结构的限制,在日渐多样化的工程应用中所表现的性能难以完全满足人们的需求。研究人员在结构设计上受自然生物的启发,设计出模拟生物外形、结构或者功能的仿生类软体机器人,其中的典型代表为拥有灵活变形能力的仿章鱼机械臂。仿章鱼软体机械臂拥有近乎无穷多的自由度,能够在空间中任意地进行大范围的弯曲和扭转,并以此来实现对物体的缠绕和抓取。而在理论分析仿章鱼臂受力变形和与物体的接触方面,研究方兴未艾,具有巨大的研究价值与实际应用前景。本文基于绝对节点坐标法,采用最小距离准则与罚函数法,建立了线驱动的仿章鱼软体机械臂动力学模型,对该类软体机械臂的接触特性进行了研究。主要内容如下: 基于绝对节点坐标法,使用低阶全参梁单元对仿章鱼软体机械臂进行建模,推导了低阶全参等截面梁单元的质量矩阵、超弹性本构材料的刚度矩阵以及广义外力的表达式;建立了线驱动的仿章鱼软体机械臂的受力模型,根据其变截面构型特点修正了低阶全参等截面梁单元的质量矩阵、刚度矩阵等对体积的积分方法;使用最小距离准则和罚函数法,提出了变截面柔性梁在接触过程中的基于梁表面的多接触区域检测算法,其中包含正交接触区域检测算法与斜交接触区域检测算法,获得了变截面软体机械臂与等截面圆柱形物体的接触区域位置与形状;建立了仿章鱼软体机械臂在线驱动接触过程中的接触动力学模型,探究了仿章鱼软体机械臂与物体接触时影响接触区域的因素及接触区域的变化规律。

关键词： 舰船动力机械设备   故障信号   小波包分解   时域特征提取   小波包频带   Gray编码  

摘要： 现有方法在实践中均存在抗干扰性较低与信号分离失真度较高的问题,因此提出一种新的时域特征提取方法。首先对小波包分解中故障信号的能量分布进行获取。对舰船动力机械设备故障信号仿真信号进行数学表达,将db10小波当作小波包基函数,实施信号的小波包3层分解,获取8个频带。Gray编码分解频带,获取依频带顺序进行排列的各频带的对应分解波形,根据各频带的对应分解波形,获取各频带的对应频率范围,再根据各频带的对应频率范围实施能量分析。最后利用EMD实施小波包分解中故障信号时域特征的提取。进行该方法与现有方法关于抗干扰性与信号分离失真度的对比实验,实验结果证明该方法的抗干扰性更高、信号分离失真度更低,对比现有方法实现了突破,实用性很强。

关键词： 单杆柔性机械臂   二次变形   一次变形   RBF神经网络   刚柔耦合机械臂  

摘要： 与刚性机械臂相比,柔性机械臂具有负载自重比高,低耗能,响应快,操作灵活等优点。因此柔性机械臂被越来越多的应用在工业,医疗,国防,太空等领域。但柔性机械臂存在定位不够精确以及存在残余振动的问题。所以需要对柔性机械臂的动力学特性进行研究以及对关节的转角进行控制。本文首先建立了单杆柔性机械臂的动力学模型,比较了两种不同的变形描述下的动力学模型,选择了更为合适的动力学模型进行接下来的研究。在此基础上分析了不同速度下和是否考虑非线性项时不同因素以及是否考虑重力对单杆柔性机械臂动力学特性的影响。接下来设计了驱动系统基于位置环的PD控制器,在此基础上采用RBF神经网络实现了对关节角度的控制。然后建立了刚柔耦合机械臂的动力学模型,分析了不同因素对刚柔耦合机械臂动力学特性的影响。最后通过实验进行了验证与分析,具体的研究内容如下:(1)分别建立了单杆柔性机械臂在二次变形情况下以及一次变形情况下的动力学模型,并在不同的输入下进行了对比。首先通过拉格朗日方程和哈密尔顿原理得到了两种情况下的动力学方程,然后在阶跃输入,正弦输入以及单杆演算输入下对单杆柔性机械臂的末端变形和输入力矩进行了对比,分析了两种模型的异同点,并进行了选择。(2)选用了一次变形情况下的动力学模型进行分析,研究了单杆柔性机械臂长度和抗弯刚度以及重力因素对其动力学特性的影响。首先对单杆柔性机械臂在一次变形情况下的动力学方程进行了等效改写,然后分别分析了在高速情况下和低速情况下还有是否考虑非线性项时,单杆柔性机械臂长度和抗弯刚度对末端变形和输入力矩的影响。接下来建立了考虑重力因素的动力学模型,分析了重力对输入力矩的影响。(3)设计了单杆柔性机械臂驱动系统基于位置环的PD控制器,在此基础上采用RBF神经网络对关节角度进行控制。首先通过对单杆柔性机械臂的动力学方程进行拉普拉斯变换求得了驱动系统的传递函数,然后采用极点配置法进行极点配置,从而求得了控制器参数。接下来先设计了具有非线性补偿项的内控制回路,在此基础上采用RBF神经网络对系统中的不确定项进行逼近,从而达到控制关节角度,减小实际关节角度与期望关节角度之间误差的目的。(4)在一次变形的情况下建立了刚柔耦合的动力学模型,分析了不同的影响因素对刚柔耦合机械臂系统动力学特性的影响。通过柔性机械臂一阶模态的模态坐标,驱动刚性机械臂的输入力矩以及驱动柔性机械臂的输入力矩三者耦合的动力学方程,分析了柔性机械臂的末端变形,驱动刚性机械臂的力矩的大小以及振动的峰值频率和幅值,驱动柔性机械臂的力矩的大小以及振动的峰值频率和幅值的变化与刚性机械臂长度,柔性机械臂长度,柔性机械臂抗弯刚度以及刚性机械臂末端质量的变化之间的关系。(5)搭建了能够测量连杆末端的加速度,电机和连杆的转角以及输入输出的力矩的实验平台,用铝板代替单杆柔性机械臂来进行实验。实验中用压电加速度传感器来测量连杆末端的加速度,用编码器来测量连杆的转角,用拉力传感器来测量输入输出的力矩。分析了单杆柔性机械臂振动特性与转动速度,连杆长度和抗弯刚度之间的关系。对比了不同的比例控制器P和积分控制器Ⅰ的控制效果。验证了考虑重力因素的必要性。

关键词： 船舶动力机械系统   钢丝绳   振动数据采集   减振控制方法  

摘要： 船舶动力系统持续输出大的电力时,与之相连的钢丝绳极易发生振动问题,影响了船舶航向的准确度。为此,研究一种船舶动力机械钢丝绳减振控制方法。该方法首先利用传感器采集钢丝绳采集振荡数据,并对振动数据进行去噪的处理,得出振动幅值。将幅值与设定的阈值进行对比,判断是否需要触发隔振器工作,进行对船舶动力机械钢丝绳的减振控制。最后进行控制效果验证,结果表明,经过金属橡胶隔振器的控制,钢丝绳的振动幅度控制在允许的5 mm内,说明所研究的控制方法有效。

标准号: LY/T 1934-2020

摘要： 本文件适用于以汽(柴)油机为动力的坐骑式旋刀草坪修剪机和坐骑式滚刀草坪修剪机。

标准号: LY/T 1810-2020

摘要： 本文件适用于以汽油机为动力的侧挂式和背负式杆式绿篱修剪机。