关键词： 柔性机械臂   相轨迹分析   滑模控制   描述函数   非线性  

摘要： 随着工业机器人技术的快速发展,柔性机械臂逐渐受到科研人员的关注。与刚性机械臂相比,它具有很多优点,如结构轻巧,响应快,高负载/自重比,低功耗等。然而,由于柔性机械臂的结构柔性及本身的非线性,使其成为一个典型的多输入多输出非线性系统。本文以双臂柔性机械手为控制对象,从暂态运动特性、关节电机驱动特性、未建模动态诱发高频抖振、稳态周期运动特性四个方面,研究滑模控制应用于柔性机械臂时产生的非线性动力特性以改进其末端控制精度。本文针对机械臂滑模控制系统,对系统从初始点至滑模面这一过程中相轨迹的分布规律与到达时间进行研究。以双臂柔性机械手为例,以其点到点的位置控制为目标,对输出重新定义使其变成最小相位系统并对原系统进行分解。在此基础上,设计非奇异滑模控制器,使得输入输出子系统可收敛到平衡点,通过极点配置保证零动态子系统的稳定性。基于采用非奇异滑模控制的输入输出子系统的状态方程,分析从不同初始位置出发的相轨迹的运动规律,并给出临界曲面的概念。然后基于相轨迹运动规律计算出各状态点从初始位置运动到滑模面上所需最大时间的估计。本文深入分析驱动电机的动态特性及参数不确定性对机械臂滑模控制系统的影响。由于柔性臂的关节是由电机驱动的,因此首先建立其包含电机驱动特性的双臂柔性机械手的数学模型,并为其设计线性滑模控制器,使柔性机械臂末端位移收敛到零。此外,考虑参数不确定性对机械臂动态响应的影响,给出系统参数不确定性的描述,在分解模型的过程中将不确定性引入各个子系统的表达式中,并给出由参数不确定性导致的系统输出的误差范围。本文研究了未建模动态对机械臂滑模控制系统的影响并对产生的抖振信号进行分析。未建模动态会诱发系统的高频抖振,使系统产生振荡,从而对系统行为产生重大影响。首先建立起包含未建模动态的柔性臂滑模控制系统模型,通过理论分析证明了抖振的存在,进而利用描述函数法对系统的抖振信号做量化分析,并找出影响抖振的频率与幅值的因素。本文考虑滑模切换过程中的时滞对机械臂滑模控制系统的动态响应的影响。针对滑模切换过程中可能存在的时滞现象,首先建立起带有时滞的柔性机械臂滑模控制系统模型,利用相平面法对采用非奇异滑模控制的机械臂系统相轨迹的运动过程进行分析,另外采用庞加莱截面法和李雅普诺夫指数法对系统的运动状态加以判断,证明了极限环的存在。

关键词： 水下机械臂   运动学   动力学   Newton-Euler法   水动力  

摘要： 随着海洋资源的更深层次开发和利用,探索水下空间和执行水下作业的关键设备—水下机器人的研究意义和应用价值凸显出来。而多自由度机械臂是水下机器人海洋开发工具中的重要一环,针对其水动力学特性的研究对于提高机器人作业质量和作业效率具有重要意义,本文的研究对象是一种应用于水下作业环境的六自由度轻型机械臂,研究重点是针对其动力学和水动力的方程解算和仿真分析。首先,通过分析机械臂的关节连杆参数,基于Denavit-Hartenberg方法得到连杆坐标系的齐次变换矩阵,建立并求解多自由度机械臂运动学方程,通过Matlab仿真验证了机械臂模型和运动学正逆解的正确性,并针对六自由度机械臂完成了工作空间分析。其次,基于迭代Newton-Euler矢量力学方法建立机械臂动力学方程,通过计算机编译迭代得到各连杆速度和加速度以及各关节所受的力和力矩解析解。并建立了静水条件下考虑Morison流体阻力的六自由度机械臂动力学方程,得到了各关节流体拖曳力矩和附加质量力矩的解析表达式。最后,在既定关节角运动规划曲线下,求解了机械臂基关节的驱动力矩和水阻力矩,并利用Matlab/Simulink进行了力控制机械臂建模和仿真,完成了对水下六自由度机械臂基关节的控制力矩和水阻力矩的影响分析。

ISBN: (纸本)9787564760038

关键词： 多核计算   区域分解   重分析  

摘要： 工程机械臂在工程领域有着广泛的运用,当前使用的大型工程机械臂一般含有多种类型的非线性环节,并且复杂度较高。随着工程机械臂的发展,为了提高机械臂的工作效率,高速化成为了机械臂产品设计的一个关键特征。而在高速的运动状态下,机械臂容易形成明显的惯性力,这会引起机械臂内部的弹性部件出现形变。如果臂架机构运动达到了“高速”区域,需要将运动部件当作“柔性机构”,此时如果仍然采用传统的线性系统方法进行分析会出现错误或者异常,甚至会造成不可估量的损失。另外考虑到可能出现的弹性变形问题将会显著增加动力学模型的复杂性,不利于问题的求解。目前已经有很多学者对工程机械臂优化问题的求解进行了研究,并提出了不同类型的求解算法,其中使用较多的是启发式算法,但是这种方法存在一定的不足,其效率较低,需要进行大量的仿真计算过程,使得其在实际中的应用受到了限制。综上,本文将围绕提高优化效率展开研究。首先,阐述了重分析方法以及多核计算的国内外研究现状。其次,以其为理论基础,将重分析运用到柔性多体动力学的计算求解中,同时在求解过程中加入多核计算,使优化计算时间大幅度降低。本文主要包括两个创新点。(1)将重分析方法引入柔性多体动力学计算过程中。重分析方法作为一种能够根据初始计算结果快速估计修改后结构的快速计算方法,能够显著的降低计算成本,使计算时间大幅度降低,非常适合解决多体系统结构复杂而导致计算量大的问题。(2)计算求解过程中多核计算的使用。并行计算偏微分方程(PDE)求解中区域分解法(DDM)将计算域分解为若干子域,大问题化为若干个小问题,从而缩减计算规模的特点十分符合多体系统的特点,即各构件可以形成天然的子区域,并且公共边界比较小。最后,为了验证本文提出的快速求解方法的有效性,通过对同一机械臂分别采用全分析和加入多核计算的重分析方法进行优化计算。测试结果表明,基于精确重分析的快速求解方法能够在保证不损伤精度的情况下有效提升计算效率,从而具有良好的综合性能。为了体现算法的工程实用性,本方法将应用于一个基于有限元仿真的空间机械臂运动规划实例中。优化结果表明,基于精确重分析的快速求解方法能够发挥更好的综合性能,从而实现对优化效率的有效提高。

关键词： 伺服电动缸   机械刚度   传动系统   定位精度   稳定性  

摘要： 伺服电动缸作为线性执行器的一种,相对液压缸和气缸,在传动效率、环境适应能力、结构复杂程度和定位精度等方面具有很大的优势,目前,伺服电动缸在港口、自动化工厂、航空航天、机器人和科研设备等领域都得到广泛的应用。随着伺服电动缸在诸多行业的广泛应用,对其定位精度和稳定性的要求也越来越高。对于半闭环伺服电动缸,其传动系统机械刚度对定位精度的影响较大。虽然国内学者对伺服电动缸做了很多的研究,但是主要集中在结构设计、伺服控制系统的优化和测试试验台的搭建上面,关于伺服电动缸传动系统机械刚度方面的研究很少。本文以和某企业共同研制的“10t伺服电动缸”为基础,开展了以下研究工作。(1)简述了伺服电动缸的基本组成和工作原理,分别求解了滚珠丝杠副等效轴向刚度模型、同步带等效轴向刚度模型、轴承组轴向刚度模型和推杆的轴向拉压刚度模型;根据伺服电动缸运动和力的传递路径,将伺服电动缸机械传动系统各环节等效成一系列串联的弹簧质量块,参照胡克定律,建立伺服电动缸传动系统的机械刚度模型。(2)基于伺服电动缸传动系统机械刚度模型,分析了半闭环伺服电动缸传动系统的各个环节对其定位精度的影响程度,忽略影响较小的环节,对影响较大的环节进行优化改进。研究发现,通过施加预紧力能够提高其定位精度和刚度;在一定范围内,增大伺服电动缸的结构尺寸,能够显著提高伺服电动缸的定位精度和机械刚度,但随着结构尺寸的增大,提升效果越来越小。(3)搭建伺服电动缸数学模型,主要包括永磁同步伺服电机数学模型和包含传动系统动态刚度的动力学模型,通过MATLAB/Simulink仿真软件,仿真得到了不同载荷和工作行程下的系统稳态误差;增大传动系统的机械刚度能够减小系统的超调,稳定性提高,但刚度的变化对于系统的响应时间影响较小。

关键词： 六履带机械   行驶力学   机电耦合动力学   卫星导航   模糊控制  

摘要： 六履带行走装置担负着斗轮挖掘机、排土机和移动式破碎站等大型机械的承重、移动与转向行走,其行驶特性直接影响斗轮挖掘机的工作安全性和工作效率,对多履带机械行驶理论、机电耦合动力学及卫星导航技术进行研究,以完善多履带机械设计方法,提高其轨迹可控性并实现其自适应行驶是采矿装备大型化发展急需解决的关键课题。本文结合国家自然科学基金项目“多履带车辆机电耦合动力学及自适应控制”(No.51775225)和校企合作项目对六履带机械机电耦合动力学及卫星导航控制技术进行了研究,通过对六履带机械行驶力学分析,建立了六履带行走装置机电耦合动力学模型,进行了六履带机械行驶性能仿真,并通过试验对机电耦合模型及数值求解方法进行了验证;介绍了基于RTK的卫星导航原理,搭建了六履带机械路径跟踪控制系统试验平台,通过多种行驶工况以及不同初始偏差的实际追踪数据,验证了基于RTK卫星导航路径跟踪控制系统的控制效果。首先介绍了多履带行走装置的结构特点和驱动方式,综述了国内外有关多履带机械行驶动力学分析、机电耦合动力学、卫星导航控制以及履带车辆模糊PID控制方法的研究现状;结合六履带机械行走装置的结构特点和运动特性,建立了其直线行驶、稳态转向和非稳态转向的力学方程,并给出了数值求解方法。建立了三相异步电机的动态方程,分别建立了六履带机械直行工况与转向工况下的机电耦合动态方程,并通过数值计算分析了不同工况下履带机电参数的变化规律,分析了履带结构参数、驱动参数对行驶性能的影响。对六履带斗轮挖掘机的电机参数进行试验测试,验证了理论分析结果的正确。为实现对六履带机械典型行驶工况机电性能参数的计算和评价,开发了六履带机械行驶性能分析平台,该平台可分析不同履带布置方式、履带驱动形式对六履带机械稳态、非稳态转向特性的影响,计算相应的机电参数,并根据设计要求提供合理的六履带行走装置合理的结构参数。介绍了基于RTK的卫星定位导航原理,设计了六履带机械卫星导航径控制系统,以六履带机械实际行路径与预设路径之间的距离偏差和航向角偏差作为模糊PID控制器的输入,并根据机械的控制需要制定模糊规则,控制六履带机械转向履带组偏转角度和各条履带行驶速度,实现路径跟踪控制。建立了六履带机械虚拟样机模型,通过联合仿真分析了六履带机械直线行驶和曲线行驶工况下控制器对六履带机械的路径跟踪控制效果。结果表明,模糊PID控制器对六履带机械的路径跟踪控制具有良好的控制效果,六履带机械的实际行驶路径能够快速的收敛至预设路径,且进入稳定行驶时距离偏差和航向角偏差均保持在较小的范围内,满足自主导航的行驶的要求。为了进一步验证六履带机械卫星导航控制系统的控制效果,基于RTK导航技术,设计了六履带车辆卫星导航控制试验系统,主要由六履带试验样机、数据采集及处理系统、基于RTK导航的路径跟踪系统以及计算机控制系统组成,利用卫星定位信息获得预设路径导航线的轨迹。基于模糊PID控制方法,分别分析了试验样机实际行驶路径与预设路径之间的距离偏差和航向角偏差,试验结果验证了卫星导航控制系统具有较好的控制效果。综上所述,本文建立了六履带机械行驶力学模型及电耦合动力学模型,并通过试验进行了验证。开发了六履带机械行驶性能分析平台及基于卫星导航的六履带机械路径跟踪控制系统。论文的研究工作为完善六履带行走装置设计理论及提高六履带机械行驶的智能化水平提供了参考。

关键词： 动力机械   剩余寿命预测   无迹卡尔曼滤波   粒子滤波   无迹粒子滤波  

摘要： 动力机械是一类通过滚动或滑动轴承支撑,依靠叶片、齿轮等部件进行动力传递或能量转换的机械装置。在电力系统中,汽轮机、燃气轮机和风力发电机等都属于典型的动力机械。经过多年的发展,工业中的动力机械已经具有大型化,自动化,精密化的特点,有利地保障着国民生产的顺利进行。此类电力动力机械一旦出现故障,将不可避免地造成较大经济损失,甚至更加严重的后果。因此,开展动力机械的状态监测、故障预警与寿命预测具有重要的理论意义和工程价值。动力机械的故障模式多样,具体来讲,汽轮机、燃气轮机轴系的叶片裂纹、热应力不均、燃烧震荡会导致机组故障停机;风电机组中传动齿轮和轴承的断裂、磨损也需要检修更换,造成发电量损失。振动分析是进行上述设备故障趋势监测的有效手段,通过采集振动信号、提取反映故障趋势的故障特征、结合寿命预测方法可以有效发现故障并预判机组的失效时间,为进行机组的状态检修提供技术支持。粒子滤波是一种递归的贝叶斯分析方法,它通过系统的状态转移矩阵进行状态预测,结合大量已知分布的粒子、观测矩阵和重采样技术进行系统状态的更新。基于粒子滤波的状态估计方法由于其需求历史数据少,适用范围广,运算量相对较小等优点,在剩余寿命预测领域得到了广泛的应用。本文开展基于粒子滤波的动力机械剩余寿命预测方法研究,对粒子滤波器重采样部分以及系统模型的构建进行了一定程度的改进,改进之后的粒子滤波器对于粒子匮乏现象更具抵抗力,滤波器的适应性与稳定性也因而得到了提升;以改进后的粒子滤波器为基础,结合无迹卡尔曼滤波,提出基于无迹粒子滤波器的剩余寿命预测方法。能够通过无迹卡尔曼滤波对粒子滤波的粒子群进行优化,进一步提高滤波器的稳定性与预测精度。通过燃气轮机的振动趋势预测和风电机组发电机轴承寿命预测实验验证了本文方法的有效性。

关键词： 量化状态系统   刚性系统   数值积分   机械臂   动力学模型   仿真  

摘要： 在现代机械的工程动力学领域中,数值求解是其分析的核心内容。在求解一般动力学常微分方程时,通常采用传统基于时间离散的积分求解方法,但是其在求解刚性以及强耦合性、非线性等复杂动力学模型时,表现出了一定的局限性。量化状态系统(Quantized State System,QSS)方法是一种新的数值积分方法,它与传统数值求解方法不同,QSS方法对状态变量进行离散,依次计算每次状态变量跃迁所需要的时间,从而推进积分。对比传统方法,QSS方法在求解中有一定优势,但QSS方法不适合求解强刚性动力学方程。针对这些问题,本文提出了一种基于量化状态系统的步进校正优化算法(SCOA based-on QSS),它结合QSS方法及隐式算法中梯形积分法的思想,以有效提高常微分方程系统的求解精度和效率。通过对三个典型刚性常微分方程算例的仿真求解,证明了本文算法的可行性。将该算法与传统数值求解方法和QSS等方法从仿真时间与仿真精度两方面进行性能对比,结果表明,SCOA based-on QSS算法能有效提高仿真效率,同时在适当减小量子大小时能显著提高仿真精度。为进一步验证本文所提算法的有效性和工程应用性,本文选取高度非线性、强刚性和强稱合性的四自由度机械臂为动力学模型,并进行了仿真求解。首先采用拉格朗日法建立了四自由度机械臂的动力学数学模型,然后将该混合微分-代数动力学方程转化为本文算法可直接求解的一阶常微分方程,最后通过传统数值求解方法和QSS等方法进行仿真求解与对比,结果表明,在仿真效率和仿真精度上,基于本文算法的四自由度机械臂动力学方程在求解中都表现出了一定的优越性。因此,本文的算法对工程领域中的复杂动力学系统求解提供了思路和借鉴意义。

关键词： 冗余机械臂   重复性运动   关节角偏差   对偶神经网络   神经网络动力学  

摘要： 对于冗余机械臂而言,关节重复性运动是考察其运行性能的一个重要标志。在工业工程实践中,装配、电焊、喷涂以及其它应用于特定环境下的机械臂,需要机械臂自身具有多余的自由度,使其能够在工作空间中执行相应运动规划、特定路径避障及避免奇异位形等任务,但在实际的冗余机械臂控制中,往往会出现关节角偏差现象(冗余机械臂在执行闭合的路径规划时,末端执行器在工作空间中路径闭合,但其各个关节角在关节空间下会产生非闭合轨迹的现象称为关节角偏差现象)。对于关节角偏差现象,冗余机械臂在工业生产中若进行重复作业,会出现未知的关节位形,对机械臂的电机、关节连杆造成严重损坏,不利于冗余机械臂的运行控制及推广使用。基于上述冗余机械臂出现的关节角偏差现象,以冗余机械臂能够完成重复性运动为主要研究对象,本文的主要研究工作如下:首先,分析传统机械臂与冗余机械臂在进行重复性运动规划时的不同点,以冗余机械臂关节角偏差为代价函数,考虑冗余机械臂运动规划、关节角约束及关节速度约束,建立冗余机械臂重复性运动的二次规划数学模型;其次,为了求解冗余机械臂重复性运动模型的二次规划问题,考虑较以往的对偶问题及凸优化数学模型,建立对偶神经网络以及基于线性变分不等式的原对偶神经网络动力学微分等式,依据动力学微分等式推导出其神经网络求解器。为验证神经网络求解器能有效求解二次规划问题,通过Matlab仿真实验数据表明所建立的神经网络求解器具有较高准确性及运算性能;最后,在文末将基于平面三自由度机械臂模型和现有的工业机器人PUMA560和SCR5模型进行重复性运动实验仿真,规划闭合路径运动信息,用于考察上述基于神经网络求解器在冗余机械臂重复性运动的应用实验。通过实验结果验证上述方案的可行性和有效性。本文所建立的神经网络动力学模型——对偶神经网络和基于线性变分不等式原对偶神经网络求解器是建立在Hopfield神经网络模型的基础上,所以在后续的硬件实现上,可依据不同的运动控制信息建立不同的神经网络控制器以方便实际工程实践应用。

关键词： 可延展电子器件   复合材料   石墨烯   聚二甲基硅氧烷   机械性能  

摘要： 可延展电子器件在保证器件性能的同时，具备不同程度的伸缩，形状弯曲的能力，能够应用于复杂曲面的工作环境。对于构建可延展电子器件极具潜力的材料，石墨烯，其与聚合物组成的复合材料，能够有效改善聚合物的热力学性能，使柔性电子器件具有更高延展性。由于电子器件的可靠性问题基本发生在界面或由界面引起，因此复合界面结构机械性能一直是器件可靠性研究的重点。对于低维度的界面结构，分子动力学（Molecular Dynamics）给出了相对准确合理的分析方法，其可以对复合结构的机械特性在微观尺度下进行很好的预测。本文针对可延展电子器件生产制造中界面断裂等可靠性问题，运用分子动力学模拟方法，对石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料界面的机械性能进行研究。具体的研究内容有：　　（1）综述了石墨烯/聚合物复合结构在实际可延展电子器件生产中面临诸多问题，提出本文研究的内容与意义，简要介绍了分子动力学方法的基本原理、势函数和潜在应用，以及本文实验用的模拟软件LAMMPS和图像处理软件OVITO。　　（2）利用Materials Studio（MS）软件构建石墨烯、官能化石墨烯、PDMS初始晶胞模型，采用全原子模型建立石墨烯/PDMS 与官能化石墨烯/PDMS 复合体系模型。其中，官能化石墨烯/PDMS体系采用3种官能基团的4种官能化率修饰石墨烯。　　（3）利用Perl程序计算PDMS的玻璃化转变温度（Glass Transition Temperature,Tg）并完成PDMS与固化剂二者的交联反应，验证了本文选取的PDMS聚合度的合理性;分析了复合体系的均方位移（Mean Square Displacement，MSD）、径向分布函数（Radical Distribution Function，RDF）、自由体积分数（Fractional Free Volume，FFV）等。依据实际参数值验证了本文建立的复合体系模型的正确性;根据径向分布函数探究了PDMS交联度对体系结构有序性的影响;完成复合体系界面相互作用能的计算，分析PDMS交联度、不同官能团和官能化率对界面相互作用能的影响。　　（4）根据分子动力学计算方法，使用ReaxFF势函数，模拟石墨烯/PDMS复合体系界面拉伸破坏过程，研究复合体系界面特性与力学性能，分析了交联度、拉伸位移速率和温度对界面拉伸破坏的影响，最后，观察拉伸过程中形态的变化，揭示了复合体系界面结合强度的微观机理。此外，研究了拉伸位移速率、温度等对界面力学性能的影响。　　（5）模拟官能化石墨烯/PDMS 复合体系界面拉伸破坏过程，研究了官能化石墨烯/PDMS 复合体系界面特性与力学性能，分析了石墨烯官能团类型对复合体系界面力学性能的影响。分析了官能化率对复合体系界面力学性能的影响;分析了不同官能化率下-OH官能化体系拉伸过程中的形态图，观察了高官能化率与低官能化率复合体系内部链的断裂速度，简述了拉伸过程中分子链“藕断丝连”的情况，数据体现了官能化率对石墨烯/PDMS复合体系界面力学性能的影响。