关键词： 变构桁架   机械臂   刚柔耦合   动力学特性   PD控制  

摘要： 随着工业自动化水平的提高,机械臂技术得到迅速的发展和应用。变构桁架式结构(Variable Geometry Truss,简称VGT)的刚度大、灵活性高和轻量化等优点,使得变构桁架式机械臂的应用前景广阔。以双八面体变构桁架式机械臂为研究对象,基于玻璃基板大型化带来的高效平稳搬运需求,对机械臂的结构设计和刚柔耦合动力学特性开展分析和研究,对机械臂的末端平台进行基于PD控制器的多软件联合控制仿真,为实际工程应用提供参考。论文具体内容如下: 首先,在分析国内外基板搬运机械臂研究现状基础上,根据大型玻璃基板搬运的应用环境以及作业特点,设计双八面体变构桁架式机械臂,在SOLIDWORKS中完成机械臂的结构建模与装配。分别利用闭环矢量法和虚拟样机平台,建立双八面体变构桁架式机械臂的运动学理论模型和仿真模型,对比验证模型正确性。计算得到机械臂的工作空间并展开分析,发现所设计的机械臂满足大型玻璃基板搬运的任务空间需求。 使用ANSYS/Workbench对机械臂进行静力学与模态分析。针对在工作过程中机械臂的不同姿态,进行静动态特性分析,找到影响机械臂性能的关键构件,为后续的刚柔耦合虚拟样机模型建立和特性分析提供依据。 利用ADAMS建立变构桁架式机械臂的刚柔耦合虚拟样机模型,分析刚柔耦合模型的位移、速度和加速度,验证机械臂符合大型玻璃基板高效搬运的指标要求。对末端平台的动态响应进行FFT分析,分析加速度的频率分布图,获得末端平台的共振频率。计算机械臂柔性杆件的最大应力,校核结构强度,利用应力云图分析应力集中区域,为变构桁架式机械臂的结构优化提供指导。 最后,联合ADAMS和MATLAB/Simulink软件搭建控制平台,实现对该机械臂末端动平台的运动控制,完成交互联合仿真。仿真结果表明所搭建的联合模型合理准确,机械臂的运动学性能良好,可为其实际工程应用提供参考。

关键词： 大型液压机械臂   角度跟踪   末端抑振   末端接触力   高精度控制  

摘要： 大型液压机械臂是现代基建行业不可或缺的高端装备,因其具备长臂展、高功率、适用性强等特点,被广泛应用于建筑施工、隧道开采、架桥铺路以及救援抢险等场合。相比于工业机器人,大型液压机械臂一方面具有液压系统的时变非线性与低阻尼等特性;另一方面,随着新材料的使用以及臂杆结构的优化导致其质量变轻,还存在弱刚度引起的柔性变形与振动。因此,相比于工业机器人,大型液压机械臂的自由运动位置控制和约束运动末端接触力控制难度均更高。针对自由运动,本文研究了柔性液压机械臂末端抑振和考虑动力学补偿提升位置控制精度的方法;对于约束运动,本文提出了基于动力学补偿的末端接触力软测量及其高精度控制方法,从而能够满足大型液压机械臂在复杂环境下精确、稳定的作业需求。 本文主要研究内容包括: 1、为建立大型柔性液压机械臂动力学模型,本文根据大型柔性液压机械臂臂杆细长特点,将其假设为Euler-Bernoulli梁。首先,基于假设模态法描述臂杆上任意一点的变形,通过对变形后臂杆的运动分析求解柔性臂的动、势能;其次,对液压驱动系统进行运动分析,通过液压缸输出力求解机械臂各关节的广义驱动力矩,基于拉格朗日方程建立了大型柔性液压机械臂的动力学方程;最后,在Matlab/Simulink中采用了PID控制器对动力学方程进行了数值仿真验证。 2、为提高自由运动下液压机械臂位置控制精度,本文对大型柔性液压机械臂动力学方程进行奇异摄动分解和控制器的设计。根据柔性液压机械臂运动过程中弹性变形与刚体运动耦合双时间尺度特性,采用奇异摄动法将关节运动和弹性振动的时间尺度分离成慢、快双子系统:慢子系统代表大范围刚性运动;快子系统描述由臂杆弹性变形引起的小范围振动。针对慢、快子系统,分别设计了基于慢子系统模型的控制(MBC)和线性二次型最优控制(LQR),通过慢、快两个子系统控制信号的叠加实现了大型柔性液压机械臂的高精度位置跟踪和振动抑制。在混凝土布料机试验平台上将所提出的奇异摄动复合控制算法与传统PID控制算法和刚性MBC控制算法进行对比,验证了本文所提方法的有效性。位置跟踪试验结果表明,相较于传统PID控制,直线轨迹下所提出的奇异摄动复合控制算法关节2、关节3角度误差分别降低了53.14%和64.75%,圆形轨迹下关节2、关节3角度误差分别降低了35.08%和50.81%,均可实现刚性MBC的角度跟踪效果。振动抑制试验结果表明,相较于传统PID控制和刚性MBC控制,直线轨迹下所提出的奇异摄动复合控制算法末端振动加速度分别降低了45.31%和45.92%;在臂杆三处液压缸施加0.1 s的反向激励信号后,末端振动加速度分别降低了78.92%和56.42%;圆形轨迹下,末端振动加速度分别降低了48.21%和50.81%,施加激励信号后,末端振动加速度分别降低了71.12%和60.77%。 3、为提高大型液压机械臂末端接触力控制精度,本文分析了大型液压机械臂与环境接触的动力学特性,设计了基于位置的阻抗控制策略:首先,位置内环采用MBC控制器,补偿机械臂非线性动力学特性,提升阻抗内环位置精度;其次,提出了基于参数辨识和神经网络力矩补偿的末端力软测量方法,对液压机械臂动力学方程进行线性化处理,并采用最小二乘法进行参数辨识,以各关节角度、角速度作为神经网络输入,进行关节力矩补偿,提高了无力传感器工况下末端力估计精度。最后,通过Matlab/Simulink模型进行仿真验证。在500 N和2000 N期望力下,传统阻抗控制方法力跟踪精度分别为0.92%和1.04%,所提出的阻抗控制方法力跟踪精度均提升到0.26%,最大接触力跟踪误差分别可达6.8 N和27.8 N;此外,所提出的末端力软测量方法具有较优的力估计效果,可完全替代力传感器用于阻抗控制,在高负载工况下,末端力跟踪精度高达0.57%。

关键词： 单连杆柔性机械臂   机理模型   数据驱动模型   残差模型   模型预测控制  

摘要： 随着工业4.0和中国制造2025的提出,以串联弹性执行器（Series Elastic Actuator,SEA）等柔性关节构成的柔性机械臂发展势头强劲。然而,SEA柔性关节结构中存在谐波减速器和弹性体,这将导致其动态特性变得复杂并会对系统动力学模型的建立带来挑战。为了应对这一挑战,所建立的动力学模型结构往往存在简化近似,而这种简化近似处理会带来未建模项。同时,参数辨识的准确性和硬件设备的磨损与老化也会导致所辨识的动力学模型参数与实际参数之间出现不匹配。这些问题将带来建模误差,从而降低基于模型的控制算法的性能。本文以上述问题为背景,主要对单连杆柔性机械臂的动力学建模进行研究。本文的研究内容主要分为以下三个方面: 1)针对当前基于整体辨识法构建柔性机械臂动力学模型存在着不能充分辨识全部参数的问题,本文首先通过拉格朗日法建立单连杆柔性机械臂的动力学模型结构。然后,在忽略柔性效应的背景下,本文将动力学模型结构中需要辨识的参数划分为刚性和柔性两个部分。随后,本文利用整体辨识法获取全部的刚性参数。其中,在激励轨迹的优化中,通过遗传算法得到序贯二次规划法的初始解。最后,本文利用物理实验法中的结论对刚性参数中的耦合项进行分离,并使用最小二乘法实现对柔性参数的辨识。通过模型验证表明,所建立的机理模型具有较高的精度,大部分验证集上的决定系数（R-Square,R2）均在0.9以上。 2)针对机理模型中由于未建模项和动力学参数不匹配导致的建模误差,本文通过带外生输入的非线性自回归多层感知机（Nonlinear Autoregressive with e Xogenous inputs Multi Layer Perceptron,NARX-MLP）和带控制输入的非线性动力学的稀疏辨识（Sparse Identificationof Nonlinear Dynamics with Control,SINDYc）两种方法建立数据驱动模型。其中,NARX-MLP的超参数通过开源优化库Optuna进行选择,网络参数则以串并联模式训练。将训练好后的NARX-MLP通过持续单步迭代预测进而实现多步预测和模拟运行。而SINDYc则以机理模型为先验知识来设计候选函数库,并通过求解稀疏回归问题得到数据驱动模型。仿真结果表明,在无测量噪声的情况下,由NARX-MLP和SINDYc建立的数据驱动模型均有较高的精度。而实物测试则表明,在输入输出数据存在测量噪声的情况下,数据驱动模型的精度有所下降。其中,NARX-MLP仅在单步预测下的R2能够达到0.93以上,而多步预测和模拟运行的效果均较差。SINDYc在模拟运行下比NARX-MLP的精度高,但其在大部分验证集上的R2均低于机理模型。 3)针对机理模型中存在的建模误差以及基于数据驱动的建模方法易受输入输出数据数量与质量的影响的问题,本文通过SINDYc建立残差模型从而实现对机理模型的补偿。然后,将残差模型与机理模型叠加后形成的混合模型纳入模型预测控制（Model Predictive Control,MPC）框架中,并用于轨迹跟踪控制。仿真结果表明,在无测量噪声的情况下,残差模型可以有效地补偿机理模型中的建模误差。此外,本文证实了MPC的控制性能受预测模型精度的影响。

关键词： DH标定修正   激励轨迹   动力学模型   参数辨识   拖动控制  

摘要： 随着工业智能制造的兴起,机械臂已然成为提高生产力的强大助力。工业生产对机械臂的控制精度提出了更高要求,基于模型的控制能够提供更高的精度,因此基于模型的动力学控制逐步成为主流。本文完成了机械臂动力学建模和参数辨识,在此辨识结果的基础上实现了基于动力学模型的拖动控制。论文主要研究内容包括: 首先,本文推导了机械臂的运动学模型,利用激光跟踪仪对机械臂DH参数标定修正,得到了修正后的DH参数,提高了机械臂的绝对定位精度,为后续激励轨迹的运行提供了精度保障。使用牛顿-欧拉法建立机械臂动力学模型,在Matlab中进行动力学模型正推得到力矩式后,将惯性矩阵表达式由质心惯性描述转换到连杆惯性描述,并且把动力学参数线性化。之后将Stribeck效应考虑在内,改进了关节摩擦模型,并将非线性模型参数分解到回归矩阵中,获得了可用于辨识的最小惯性参数集。 其次,为更好地激发机械臂的动力学特性,优化了激励轨迹的设计,确定以五阶傅里叶级数作为激励轨迹表达式。为提高实验收敛速度和降低噪声干扰,本文以机械臂信息矩阵最小奇异值的倒数作为目标函数,优化了目标函数。在设计激励轨迹时以机械臂工作空间及连续性作为约束条件,分别使用内罚函数法、遗传算法和代理优化算法对傅里叶级数的轨迹系数进行优化,每种算法优化出十条轨迹,并设计辨识误差仿真对比实验,对比三种算法辨识结果的均方根误差,择优选择由内罚函数法优化的参数作为最优激励轨迹的系数。 最后,进行真机实验,使机械臂运行激励轨迹,采集关节位置、力矩数据,并且设计巴特沃斯低通滤波器对数据滤波降噪;针对传统辨识算法进行改进,使用基于拟牛顿的BFGS(Broyden,Fletcher,Goldfarb,Shanno)迭代算法对带有非线性摩擦的动力学模型参数进行辨识。设计对比实验,使用最小二乘法辨识基于库伦-粘滞摩擦的动力学模型,将实际力矩值与模型预测力矩值相比较,两种算法辨识的六个关节的平均误差均值分别为1.14 N·m和1.51 N·m,改进辨识算法的平均误差精度比最小二乘算法提高了20.40%,尤其第六关节误差精度提高了33.87%,证明本文的方法提高了辨识精度。为了验证本文改进动力学模型的准确性,设计拖动控制器,对机械臂末端进行拖动控制,验证非线性摩擦的效果,相比库伦-粘滞模型,本文优化后的摩擦模型能够在低速条件下减弱第六关节的抖动现象,验证了本文拖动控制器的有效性。

摘要： 新能源汽车以其环保、节能的特点成为未来汽车工业的重要发展方向。动力系统作为新能源汽车的心脏，其高效、可靠的运行依赖于各机械零部件的优异性能。因此，合理的材料选择与科学的性能评估对于提升新能源汽车动力系统的整体性能至关重要。

关键词： 空间机械臂   结构优化   运动规划   动力学建模   双驱动控制  

摘要： 空间机械臂是大型空间设施在轨制造不可或缺的关键部分。而且随着空间事业的发展,愈加复杂的工作环境和愈加困难的在轨任务要求空间机械臂拥有更大的工作空间、更高的灵活性、更强的任务适应度和更高的运动精度。空间机械臂的工作空间和灵活性可以通过对空间机械臂进行结构设计与优化来得到提升,进行结构设计与优化时还要考虑到机械臂轻量化之类的限制因素。空间机械臂能适应复杂的工作环境,完成困难的在轨任务的前提是拥有准确高效的运动规划方法。空间机械臂运动精度的提高依赖于精确的机械臂动力学模型和高效率、高稳定性的运动控制方法。由于空间机械臂自身的结构特性,在进行空间机械臂动力学建模与控制时需要考虑关节柔性对机械臂的影响。针对上述问题本文在空间机械臂的构型设计与优化、路径规划与轨迹规划、动力学建模与参数辨识、动力学控制这几个方面进行了深入的研究。 空间机械臂的工作空间和灵活性与机械臂的结构息息相关,本文在空间机械臂的结构设计与优化方面做了大量的工作。以在轨组装过程执行模块检测和模块组装任务的八自由度冗余空间机械臂和九自由度模块化超冗余空间机械臂为例,详细介绍了机械臂构型设计、关节设计、构型优化、结构刚度分析这几方面的工作。在研究空间机械臂构型优化的过程中提出了一种结合多目标粒子群算法和人工势场法的冗余机械臂构型参数优化算法,该算法在多目标粒子群算法的基础上引入了排斥势场,能够加快优化算法的搜索速度,大大提高空间机械臂结构优化的效率。 随着空间设施越来越精密,空间机械臂在进行在轨制造时的工作任务和工作环境会越来越复杂,障碍物越来越多。空间机械臂想要适应工作环境的变化并出色地完成复杂的在轨任务需要准确高效的运动规划算法。本文提出了一种基于改进人工势场法的冗余机械臂避障路径规划算法,该算法采用分段式引导势场代替传统的人工势场,分段式引导势场引导机械臂运动时不容易陷入局部最小值,提高了路径规划的成功率和效率。以本实验室研究的九自由度模块化空间机械臂为实验对象,在不同的障碍物环境中进行了路径规划对比仿真实验和实物运动验证实验。实验结果证明了改进算法的有效性和实用性。 空间机械臂执行在轨任务时的运动路径往往比较长,所以在进行轨迹规划时容易出现关节角度超限和奇异点等问题。本文提出了一种避奇异轨迹规划算法,该算法采用钳位加权最小范数法进行逆运动学求解来避免关节角度超限,利用梯度投影算法和反向规划的方法来消除奇异点对运动轨迹的影响,保证了机械臂在工作路径上的运动轨迹是平稳连续的。通过轨迹规划对比实验,验证了避奇异轨迹规划算法的有效性。 考虑到空间机械臂的关节柔性不可忽略,所以本文进行了考虑关节柔性的空间机械臂的动力学建模和动力学参数辨识研究。采用欧拉-拉格朗日法建立了柔性关节机械臂的动力学模型,以一个三自由度模块化柔性关节机械臂为例,详细介绍了建立动力学模型的过程,并将建模方法推广到多自由度柔性关节机械臂。研究了机械臂动力学模型的整体参数辨识、关节柔性辨识和关节摩擦辨识,使得机械臂动力学参数的辨识更加完整。对于柔性关节空间机械臂动力学建模与参数辨识的研究为后续的动力学控制打下了基础。 柔性关节空间机械臂的高精度运动控制离不开高效率、高稳定度的控制方法。考虑到一般控制方法对重载情况下柔性关节振动抑制能力不足的问题,本文提出了一种柔性关节机械臂双驱动动力学控制方法。该方法在常规柔性关节的结构基础上增加了一个驱动源,新增加的驱动源可以起到补偿驱动力矩和主动阻尼的效果,提高了机械臂的可控性,能有效降低重载情况下机械臂的振动。最后以单柔性关节为例进行了控制仿真对比试验,验证了本文提出的柔性关节双驱动控制具有更好的轨迹跟踪控制响应和振动抑制能力。

关键词： 水下机械臂   旋量理论   模型建立   非奇异快速终端滑模  

摘要： 水下机器人技术在海洋资源的探索和开发中起着至关重要的作用,而水下机械臂的研究和应用是其实现高效作业的关键。本文致力于水下机械臂的模型建立及其滑模控制算法的研究,具体工作如下: (1)设计水下机械臂。以铝合金作为材料支撑,采用电动驱动方式,结合Solidworks软件完成水下机械臂的设计,并通过COMSOL有限元分析软件对其验证,保证该水下机械臂系统运行的可靠性。 (2)结合指数积公式建立水下机械臂的运动学模型。为了解决传统的D-H建模法需要建立多个坐标系、步骤繁琐的问题,本文以旋量理论为基础,完成水下机械臂运动学模型的建立,并采用Paden-Kahan子问题对其求逆解,仿真结果表明,旋量理论可准确有效地完成模型建立。同时,为了保证研究的直观性,采用蒙特卡洛法对水下机械臂的工作空间完成求解。 (3)结合广义速度、广义力、广义惯量及动量建立水下机械臂的动力学模型,计算效率高,物理意义清晰。将三种传统动力学建模方法的计算量进行对比,将旋量理论和牛顿-欧拉动力学递推方法相结合,建立高效的动力学递推模型,并给出正/逆动力学的递推步骤。在此基础上,采用Morison理论完成水下机械臂的动力学建模,在流体仿真软件ANSYS-Fluent中求出水阻力系数,并将水环境与空气环境中机械臂的关节力矩进行对比,仿真结果验证了水动力项在水下机械臂建模和控制中的必要性。 (4)以水下机械臂的动力学模型为基础,采用滑模控制对其进行轨迹跟踪。为了改善传统的滑模控制方法存在的误差较大、且抖振现象较为严重的问题,本文提出了基于超螺旋的非奇异快速终端滑模控制算法,利用Lyapunov稳定性理论保证了系统具有更高的轨迹跟踪控制性能。将本文提出的控制算法和传统的滑模进行对比分析,结果验证了所设计的高阶滑模控制器具有更强的鲁棒性,具有更高的跟踪精度和更快的响应速度,且有效地削弱了系统的抖振现象。