关键词： 六自由度机械臂   运动学建模   动力学建模   动力学参数辨识   时间最优轨迹规划   凸优化  

摘要： 机械臂在现今的工业领域中应用越来越广泛,其中机械臂动力学参数辨识和最优轨迹规划仍是研究的热点话题。本文主要以实验室搭建的六自由度仿人机械臂为研究对象,对其运动学、动力学、动力学参数的辨识、最优轨迹规划等方面进行研究。首先,搭建了机械臂平台并建立机械臂的仿真模型,然后采用D-H法对其运动学进行分析,建立相应的坐标系并计算各关节之间的变换矩阵得到正运动学模型。通过数值计算来研究逆运动学,较准确的计算出每个关节的角度。在MATLAB中进行实验仿真,验证了其正确性。动力学模型则采用牛顿-欧拉迭代方式求解,为了后续参数辨识工作,将其转化为线性形式,然后求得对应的观测矩阵和最小惯性参数集。其次,设计了一个采用整体辨识方法的离线辨识动力学参数实验。根据机械臂物理特性如速度、加速度,采用傅里叶级数设计出一条轨迹作为激励轨迹,该轨迹能够有效的激发本机械臂各动力学参数的特性。然后让机械臂按照该轨迹运行并对各关节的位置、速度、力矩进行采集。基于卡尔曼滤波过滤后的相关数据,采用改进的迭代重加权最小二乘法进行参数辨识,并实验验证了参数的准确性。最后,基于辨识后的动力学模型,研究了具有动力学约束下的时间最优轨迹规划。为了解决动力学约束下一般时间最优问题的局部最优和全局最优问题,将其转化为凸优化控制模型,并添加了本机械臂的物理约束条件和动力学约束。在时间最优目标下,考虑了力矩变化率的影响因素,使机械臂可以更加方便的执行。通过实验,验证了该算法的可行性。

关键词： 协作机器人   移动机械臂   动力学   轨迹跟踪   约束  

摘要： 随着工业机器人应用的广泛和需求的多样化,传统的固定式工业单臂在某些应用场景下已经显现出局限性。协作移动机械臂能够弥补传统工业单臂在多数工况下的不足,但固定式协作机械臂也存在工作空间小等问题,移动机械臂协作系统则能够顺利适应此类工况,具有极大的潜力和广阔的应用前景。本研究选取双移动机械臂空间协作系统作为研究对象。本研究旨在探索协作移动机械臂系统有效的分析和控制设计方法,推动移动机械臂在工业自动化和服务机器人领域的应用,提高工作效率和质量。 本课题对双移动机械臂空间协作系统的动力学建模方法与轨迹跟踪控制设计进行了研究。在动力学建模方面,介绍了动力学建模与约束分析的常用方法。本研究中提出了一种基于对称划分方法和Udwadia-Kalaba方法的通用建模方法,通过断开负载中心,将系统划分为两个对称的子系统,并对子系统进行建模。子系统间的协作耦合关系以及理想轨迹等视为约束。根据Udwadia-Kalaba方法,将该约束转化为二阶微分形式,并通过Udwadia-Kalaba方法直接求出相应约束力的解析解。将约束力施加到子系统模型上,从而求出协作系统模型,该方法简化了建模计算量,且无需引入辅助变量。在此基础上,又讨论了现实中不确定性因素对系统产生的影响,设计了估测不确定性边界的自适应律,并提出了一种建模与控制一体化的自适应鲁棒控制算法,该控制算法仅需要不确定性具有有界性即可应用,且能够提高系统鲁棒性并降低控制成本,同时探索了Udwadia-Kalaba方法在三维空间中的应用。

关键词： 机械臂   动力学建模   动力学参数辨识   电流层面辨识  

摘要： 为了提升生产效率,方便日常生活,机械臂已广泛应用于许多行业,辅助人类完成各种繁杂的任务。高性能的运动控制是机械臂能够较好的完成目标任务的重要保障,而基于模型的控制能够有效的提升机械臂的控制性能,因此机械臂动力学参数辨识具有重要的研究意义。传统的动力学参数辨识都是在力矩层面进行的,而最近有研究提出了电流层面的动力学参数辨识概念。在此背景下,本文围绕机械臂的动力学参数辨识开展研究,着重研究电流层面的动力学参数辨识方法。遵照机械臂动力学参数的辨识流程,结合动力学参数辨识领域的研究热点,从以下几个方面展开研究工作: 首先,在电流层面完成考虑关节柔性与摩擦非线性的机械臂动力学建模,为研究工作奠定基础。基于MDH坐标系,在力矩层面使用牛顿-欧拉法建立线性化的动力学模型,并考虑关节的柔性与非线性摩擦,通过QR分解确定基本动力学参数。在力矩层面动力学模型的基础上,根据电流与力矩的近似线性关系,初步推导获得电流层面的动力学模型。 然后,基于电流层面的动力学模型推导动力学参数的物理可行性条件,对现有的电流层面动力学参数辨识的相关研究做出补充。在电流层面,根据动力学模型的结构推导动力学参数的形式,分析动力学参数的物理意义;在此基础上,参考力矩层面动力学参数的物理可行性,推导电流层面的物理可行性条件,并明确物理可行性条件在动力学参数辨识中的应用方式。 接着,基于建立的电流层面的动力学模型,提出多层迭代的电流层面的动力学参数辨识方案。辨识方案以迭代加权最小二乘法为基础,额外考虑数据加权、噪声加权、关节柔性、非线性摩擦与物理可行性等因素。在电流层面辨识的基础上,进一步辨识关节驱动增益系数与力矩层面的动力学参数。 最后,设计并完成动力学参数辨识实验。基于六自由度串联机械臂开展动力学参数辨识实验,设计优化激励实验轨迹,完成动力学参数辨识与验证实验,使用动力学参数辨识方案辨识获得动力学参数,并验证辨识方案的可行性。

关键词： 动力机械   动力吸振器   数值优化  

摘要： 本文以动力吸振器为研究对象，对其数值优化展开分析。经过数值优化后，动力吸振器能保持较好的工作水平，从而使得使用动力吸振器的船舶能保持较好的工作性能，减少内燃机给船舶其他机械设备带来的影响，保证船舶的运行安全。

关键词： 多轴系统   关节空间显式动力学   轴不变量   模型预测控制   扩张状态观测器  

摘要： 现有多轴航天器自由度高且有效载荷大,其动力学建模与控制存在建模复杂度高、实时性差和扰动下控制精度低的问题。本文以航天器多轴系统的典型代表空间机械臂为应用背景,首先提出多轴系统的关节空间显式动力学建模方法,实现动力学的自动建模和自动求解,以提高动力学建模效率并保证动力学模型在控制应用中的实时性;然后将所提出的动力学模型应用于关节驱动控制算法和空间机械臂动力学控制算法研究,以提高机械臂在模型误差扰动、未知外力扰动和关节力矩约束条件下的控制性能。论文主要内容如下: 首先,分析多轴航天器的设计需求并系统阐述多轴系统动力学建模的理论基础。基于轴不变量理论,实现多轴系统的数学化描述,并以此构建轴链有向Span树来描述系统的拓扑结构。通过建立自然坐标系,实现对多轴系统结构参数和动力学参数的描述,并以此建立运动学正向分层迭代公式。同时,为了解决传统动力学建模方法中偏导数计算导致的动力学模型无法完全参数化表达的问题,在运动学迭代公式基础上推导不同关节类型的偏速度显式表达式,并以此推导外力反向分层迭代公式。 其次,提出基于轴不变量的迭代式关节空间正动力学显式建模方法,实现动力学的自动建模和自动求解,以提高多轴系统动力学建模的效率和求解的实时性。该建模方法一方面可以实现系统拓扑、结构参数及动力学参数的完全参数化,且链符号具有伪代码功能,因此具有较高的建模效率,便于实际的工程应用;另一方面,该方法所得到的动力学方程具有迭代式的表达形式,具有较高的计算效率。与现有的显式正动力学建模方法相比,所提出的动力学建模方法具有更低的建模和计算复杂度。此外,动力学方程中矩阵的每个元素都有独立的显式表达式,可以利用分布式关节控制器并行计算的方式来进一步减少动力学的运算时间。同时,基于所提出的动力学模型搭建机械臂和火星车的仿真平台,通过与现有建模方法的仿真结果进行对比,来验证所提出动力学建模方法的正确性和实时性。 然后,以所提出的动力学模型为基础,提出基于动力学逆模补偿的双曲正切关节控制器,在满足关节输出约束的同时提高关节在非线性耦合外力和关节摩擦影响下的动态响应速度和跟踪精度。基于所提出的动力学方程提出关节正压力的显式表达式,并以此给出显含正压力的关节摩擦力模型和辨识方法,以提高关节摩擦力模型的建模效率和精度。同时,提出改进的驱动控制算法,以提高关节的动态响应速度和跟踪精度:提出一种改进的空间矢量脉宽调制算法,以减小由MOS管开关状态切换导致的时延和输出力矩的波动;通过设计高带宽电流环和补偿驱动电路死区降低系统时延,以提高控制器的动态性能;提出基于逆模补偿的双曲正切控制器,以保证关节输出的有界性和方向性,同时提高关节在非线性耦合惯性力、关节摩擦力和重力负载扰动下的响应速度和跟踪精度。 接着,通过所提出的正动力学模型进行状态预测,提出一种基于扩张状态观测器的鲁棒模型预测控制器,以提高空间机械臂在模型误差扰动、未知外力扰动和关节力矩约束条件下的轨迹跟踪精度。通过推导离散时间预测状态方程和改进预测参考轨迹,提出一种离散时间非线性模型预测控制器,以实现控制器在关节力矩约束条件下的最优控制输出。同时,提出一种基于动力学模型的非线性降阶扩张状态观测器,以增强控制器对模型误差扰动和未知外力扰动的抵抗能力。通过仿真实验验证所提出控制器在模型误差扰动、未知外力扰动和关节力矩约束条件下的位置和速度跟踪精度。 最后,设计并搭建机械臂地面测试平台,通过实验验证本文所提出的模型和控制算法的性能。根据分析的机械臂的需求进行机械臂关节的选型,对机械臂关节驱动器的各个组件进行改进设计并提出一种新颖的失电制动器结构。为了提高关节控制器性能,重新设计控制器软件和电路。为了提高关节的可靠性,对传统的失电制动器结构进行改进设计,提出永磁式失电制动器结构,并建立其电磁模型。同时,为了验证所提出的模型和控制算法的性能,进行以下实验:通过单关节实验平台测试永磁式失电制动器的制动性能、Ether CAT控制器的实时性和关节的位置、速度和力矩的跟踪精度;通过关节摩擦参数辨识实验得到关节摩擦模型,为机械臂控制实验奠定基础;通过机械臂动力学控制实验验证提出的逆模补偿器的力矩补偿精度、双曲正切控制器的关节位置跟踪精度以及机械臂的末端轨迹的跟踪精度。

关键词： 机械臂   柔性关节   关节间隙   不确定性参数   自适应控制  

摘要： 随着科学技术的发展,工业自动化水平越来越高,机械臂已被广泛应用到许多领域,并发挥着十分重要的作用,如工业机器人、航空航天的空间机器臂、医疗机器人等。现今机械臂的高精度、高可靠性研究已经成为人们关注的焦点。而由于关节间隙(加工制造误差、磨损等)、关节柔性(减速装置、力矩传感器的非线性刚度问题)等会降低机械臂的运动精度和稳定性,造成机械臂末端振荡甚至失效。同时,考虑加工制造误差、磨损、材料变形等因素会使得机械臂系统中的几何、材料等建模参数存在不确定性,进而影响系统的运动精度和可靠性。在现今机械臂动力学建模中,常常忽略这些因素,为此,本文考虑关节间隙、柔性和系统不确定性的影响,建立更加精确的机械臂系统动力学模型,研究系统响应的可靠性,并对不确定性影响下含间隙的柔性关节机械臂进行自适应控制分析。论文的主要工作如下:(1)以拉格朗日法建立刚性关节机械臂动力学模型,基于谐波减速器的刚度测试实验,辨识出关节的非线性刚度,以Spong模型建立柔性关节动力学模型,以绝对节点坐标法建立间隙数学模型和接触碰撞力模型,将其耦合进柔性关节动力学模型中,建立含间隙的柔性关节机械臂动力学模型,研究关节非线性刚度和关节间隙对系统的影响。(2)以混沌多项式理论为基础,研究不确定性参数下,机械臂动力学的响应输出。以PCE算法求解不确定性系统模型,假设机械臂臂长、柔性关节刚度为随机参数,关节间隙为区间参数,分析随机参数、区间参数、随机区间混合参数下机械臂动力学系统的响应输出。(3)基于机械系统可靠性的建模理论,研究不确定性参数对机械臂末端运动精度和系统稳定性的影响,建立随机参数、区间参数、随机区间混合参数下系统的状态方程,以求解系统可靠性指标,进而求解系统可靠度,并以Monte Carlo方法进行验证。仿真分析了随机区间混合参数下机械臂末端位移、速度和角加速度响应的可靠度变化趋势。(4)针对机械臂系统中的关节柔性、关节间隙及不确定性等问题,研究了一种自适应控制方法。该方法以RBF神经网络逼近模型中的非线性项,以动态面的控制方法进行控制器设计,构造Lyapunov函数证明闭环系统的稳定性,同时与传统的PID算法进行仿真对比,验证所设计控制算法的有效性。

关键词： 仿猫机器人   纤维嵌入   气动肌肉   柔性机械腿   动力学  

摘要： 随着科学技术的发展,机器人的工作场地愈来愈往非平面、高复杂、多障碍的非结构化环境扩展。如何增强机器人在非结构化环境中的跌落姿态调整、越障与抗冲击等能力,已成为当今机器人研究的一大课题。猫对非结构化环境适应度极高,其能在跌落时自主翻转以调整姿态,猫本身强健而柔韧的骨骼-肌肉结构又给予了它们出色的运动与抗冲击能力。本文通过研究猫的下落翻转能力与猫的生理结构设计出了一种仿猫腿式机器人,该机器人以纤维嵌入式低摩擦气动肌肉为驱动元件,具有更接近猫特征的柔性机械腿,对非结构化环境有较强的适应能力。 本文仿真验证了“弯脊柱论”与“四肢开合论”两大落猫翻转模型的合理性。设计了一种具有自主翻转能力的仿猫机器人,该机器人由躯干、四肢两大部分及其上搭载作为驱动元件的气动肌肉组成。提出了一种纤维嵌入式低摩擦气动肌肉设计方案,设计了一种气动柔性机械腿。 基于“弯脊柱论”机理模型简化了猫的躯干生理结构,提出了一种气动肌肉并联驱动的具有自主翻转能力的仿猫机器人躯干结构。通过Adams仿真,探究了躯干直径、长度、材质及腰部球铰位置等参数对躯干模型翻转效率的影响,在此基础上获得躯干模型的优化参数。优化模型能在5s内实现约60°的自主翻转。 考虑仿猫机器人柔性驱动的要求,本文提出了一种新型的纤维嵌入式气动肌肉的设计方案,基于Abaqus有限元仿真探究了橡胶与纤维种类、橡胶纤维组合方式、橡胶管尺寸参数及纤维嵌合参数等对气动肌肉工作能力的影响,提出了一个工作能力较理想的优化方案,并建立了此气动肌肉的静力学方程。据此优化方案设计的气动肌肉,最大收缩率能达到24.06%,最大输出力约为1498N。 基于对猫翻转、跳跃、小跑三大运动的研究,以猫腿部结构为蓝本,设计了一种气动肌肉驱动的柔性机械腿。为了应对落地时的瞬时大冲击,设计了一种仿猫与人体膝关节的柔性膝关节。Adams仿真结果表明,所设计机械腿能够跳跃近1m的高度,且具有较强的缓冲能力。 将所设计的采用气动肌肉驱动的躯干与腿部相组合,构建仿猫机器人系统,建立了其整体系统的运动学与动力学数学模型,并利用Adams与Matlab等软件仿真分析了机器人的翻转、跳跃与小跑运动,结果显示仿猫机器人能够在5s内自主翻转超过60°,最大跳跃距离436.45mm,最大跳跃高度1195.29mm,且能实现平稳的长时间小跑运动。

关键词： 衬砌切割   运动学   遗传算法   结构设计   动力学分析  

摘要： 近年来随着我国经济的飞速发展,铁路的运输量和养护压力也在逐年攀升。隧道作为铁路运输的重要载体,隧道病害严重制约着我国铁路运输的发展。目前我国对铁路隧道专用维护设备的研发较少,在衬砌切割上主要还依赖于人工,因此研发出一款提高工作效率、降低人工成本、保障作业安全的衬砌切割机械臂是迫在眉睫。从实际工作需要出发,对衬砌切割机械臂进行了以下研究:切割机械臂构型设计。该部分以蛇口峁隧道为原型,确定为双线隧道,采用NX70A型平车搭载机械臂。用Solid Works建立隧道、平车、铁轨、接触网模型,完成隧道整体的装配。根据确定好的外部边界约束和实际切割需要,确定为五自由度切割机械臂,初步确定各部分的理论尺寸和转角范围。切割机械臂运动学分析及尺寸优化。该部分对机械臂运用D-H法创建各连杆的坐标系,取得各连杆参数,建立机械臂正运动学参数方程,完成机械臂正逆运动学的求解。使用Solid Works和MATLAB完成运动学正逆解验证,最后使用蒙特卡洛法绘制出切割机械臂的工作范围。所得工作范围满足实际工作需要,符合设计预期。完成运动学分析之后,基于机械臂小型化目的对机械臂尺寸进行优化,以臂长总和最短为优化目标,以工作范围、臂长尺寸、转角范围为限制约束,采用遗传算法进行优化。使用MATLAB对算法参数、目标函数、约束函数进行编程,做出优化后的工作范围并与优化前进行对比,优化后臂长减小479mm,工作范围也得到了一定的增加,达到了优化的预期。机械臂结构设计及静力学分析。该部分采用优化后的数据,对切割机机械臂进行了结构设计,使用Solid Works建立模型,对底座回转机构、切割机进行了选型。选取左中右三个切削工况,使用Solidworks Simulation模块进行静力学分析。分析结果表明各构件所承受的最大应力小于材料屈服极限,最大变形量小于最大许用挠度,分析结果验证了结构设计的安全可靠性。机械臂动力学分析与仿真。该部分选用拉格朗日方程建立切割机械臂的动力学模型,选取隧道一段路径,由MATLAB计算得出该段路径切割过程中油缸伸缩量和切削力随时间变化数据,将机械臂模型导入ADAMS中,以油缸位移量作为驱动,切削力作为外加载荷,对机械臂进行切割仿真,得出切割机械臂末端的轨迹、位移、角速度、角加速度和关节铰接点受力曲线图像,分析所得曲线,发现曲线变化平稳,可满足切割要求。