关键词： 机械臂   动力学模型   参数辨识   碰撞检测   柔顺控制  

摘要： 人机互助机械臂得益于其良好的安全、共存和协作能力,被广泛应用于需要与操作者协同完成的复杂工作场景。人机协同作业下物理接触安全成为人机共享工作空间、协作完成作业的首要前提,动力学模型为非完备传感条件下的物理人机安全交互提供了一条可靠技术路线。然而,受限于测量噪声、装配间隙及多任务载荷下的时变负载等多因素耦合影响,难以构建稳定且精确的动力学模型。针对非完备传感条件下强时变模型无法满足物理人机安全交互控制需求的问题,依托动力学在线辨识与补偿方法,提出了一种基于混合动力学模型的碰撞检测优化算法,重点研究内容及创新如下: 1)研究了机械臂动力学建模与鲁棒参数辨识方法。基于牛顿-欧拉法和平行轴定理,建立了机械臂动力学线性化回归重组模型,基于QR分解推导了动力学最小惯性参数集;基于遗传算法迭代优化完成了傅里叶级数激励轨迹的设计;提出了一种基于残差权重策略改进的粒子群算法参数辨识流程,以自研二自由度机械臂为研究对象开展了参数辨识实验,实验结果表明所提改进算法能够获取较为准确地动力学参数来表征机械臂系统的动态特性。 2)研究了面向多元不确定性扰动的动力学在线辨识与补偿方法。提出了基于IIR巴特沃斯低通滤波器和递推最小二乘法的动力学参数在线辨识方法;基于雅可比矩阵力域映射构建了负载动力学模型,建立了涵括连杆刚体动力学、连杆误差补偿动力学及负载动力学在内的机械臂混合动力学模型在线辨识与补偿机制。面向空载和变负载两种不同工况,开展了动力学辨识与补偿实验,实验结果表明,相较于传统动力学模型,所提混合动力学模型具有更高的精准性和更强的鲁棒性。 3)研究了基于精准动力学模型的物理人机安全交互控制方法。设计了基于广义动量的扰动外力观测器,依托机械臂混合动力学模型,提出了涵括基于固定阈值的碰撞检测、动态阈值优化的碰撞检测及高通滤波器处理的碰撞检测优化方法;设计了基于关节空间柔顺控制的全臂碰撞安全反应方法,完善了物理人机安全交互控制系统。 4)进行了机械臂碰撞检测与柔顺控制算法实验验证。研制了二自由度机械臂实验平台,分别进行了空载和负载两种不同工况下的关节外力矩估计及全状态下的碰撞检测实验,完成了基于阻抗控制的碰撞安全反应实验。实验结果显示,面向时变负载等多因素耦合影响下,所提基于混合动力学模型的碰撞检测优化方法能够准确估计关节扰动力矩,且在物理人机安全交互控制系统的建立与应用中更具优越性。

关键词： 水下机械臂   水动力分析   水动力系数   动力学   流作用  

摘要： 海洋中蕴含着丰富的资源,随着社会经济的高速发展和对多样化产品的需求,人们逐渐将目光投向海洋资源的发掘与利用。水下机器人作为替代人类在极限、高危的水下复杂环境进行作业的先进智能装备,已在海洋资源探测、水下安全监测、水下搜救打捞等领域得到广泛应用。水下机器人普遍搭载水下机械臂作为执行作业任务的关键部件,水下机械臂的水动力分析和动力学模型的精确构建是实现系统精准控制与灵活作业的重要基础。充分考虑水下机械臂执行作业任务时所受复杂水体影响,对其进行水动力分析与模型构建,有利于提高机械臂模型的完整性以及抗干扰能力,提升水下机械臂在复杂不确定环境下的工作能力。本文针对流作用下水下机械臂水动力分析及其建模等问题展开进行了如下研究: 1、针对水下复杂环境分析水下机械臂与流体间的相互作用规律,从惯性水动力和黏性水动力两个方面构建流作用下水下机械臂水动力学模型,并通过单自由度实验法对模型进行简化。设计定向流和回转流模拟拖曳直线运动和拘束回转运动的单自由度实验,基于壁面影响分析和网格无关性分析构建流域,获取水下机械臂不同位姿下的水动力和水动力矩,数据拟合得到所需水动力系数,为后期水下机械臂系统构建和控制实现提供理论基础。 2、对多自由度水下机械臂构型和位姿进行描述,运用D-H参数法构建机械臂关节连杆坐标系,推导得到正运动学模型,根据运动学正问题建立逆运动学模型。基于以上分析计算搭建机械臂运动学仿真平台,对水下机械臂正逆运动学模型的有效性进行验证,便于机械臂的轨迹规划和运动控制。 3、基于微分原理和Morison公式确定水下机械臂水阻力和附加质量力计算方法,结合浮力、关节摩擦力及其他影响因素,分解计算水下机械臂流作用下的受力;基于拉格朗日动力学方程,综合考虑以上水体因素影响,建立基于水动力学的水下机械臂动力学模型。仿真分析各水动力因素对水下机械臂的影响。 4、在理论分析和科学计算的基础上,搭建三自由度水下机械臂流作用环境下的仿真模型,过模拟不同流作用下的机械臂运动,获得机械臂各关节仿真力矩值,验证所使用水动力分析方法的准确性。使用上位机控制伺服驱动器驱动三自由度水下机械臂关节电机以实现机械臂关节运动控制,对样机进行静水、不同流速定向流、不同方向流环境下水下机械臂运动实验,采集电机数据,通过数据分析验证水下机械臂水动力分析和动力学模型的准确性。

关键词： 机械密封   热流体动力润滑   螺旋槽   湍流效应   密封性能  

摘要： 作为一种高端装备的关键性基础部件,机械密封被广泛应用于航空航天等领域的高速泵中用于防止高压侧流体沿转轴发生泄漏。在高速工况下,端面间隙内润滑流体在动环强剪切作用下产生大量粘性热,传统流体动压型机械密封一般为微米级浅槽,在高速工况下流体膜粘性生热严重,尤其是高粘度流体,间隙内流体易汽化,严重时导致密封装置失稳。亚毫米级深槽可使液膜平均膜厚增大,粘性剪切生热减少,提升密封稳定性。同时,亚毫米级深槽保留了部分浅槽的性能,有效避免了高速工况下浅槽因流体动压效应过大而造成大量泄漏。动环高速剪切作用下密封间隙内跨尺度液膜粘性生热必将对机械密封各项性能产生显著的影响,应用ANSYS Fluent软件在湍流状态下建立了经典螺旋槽机械密封(SG)的流体动力润滑(HD)模型与热流体动力润滑(THD)模型,对比了两模型下液膜流动特性及压力分布,并在不同螺旋槽几何参数及工况参数下分析了HD与THD模型下的密封特性差异,以此揭示了液膜粘性热效应对机械密封各项性能的作用机理及影响规律。结果表明:HD与THD模型下液膜压力分布类似,最高压力均出现在槽根收敛处,但计入热效应后流体动力粘度减小,动压效应被削弱,THD模型的压力峰值小于HD模型。在不同螺旋槽几何参数与工况参数下,THD模型对液膜开启力与摩擦系数的预测值均小于HD模型,考虑粘性热效应时,密封泄漏率则明显增大,且转速是影响温升的关键因素。端面间隙内流体粘性生热量大、端面温升高是机械密封在高速工况下的关键共性问题之一,为此提出了一种深环形槽与深螺旋槽复合式端面构型(ASG),应用ANSYS Fluent软件建立了其与经典螺旋槽端面(SG)的热流体动力润滑(THD)模型,在湍流状态下对比分析了环形槽的传热过程,揭示了其降温作用机理,讨论了其几何参数与工况参数对机械密封性能及环形槽降温效果的影响规律。结果表明:密封端面内径侧环形槽区因膜厚较大,流体剪切作用较小,故该区域液膜粘性生热量显著减小,其在任意工况参数下均可使润滑液膜及密封端面温度降低3K～14K。环形槽槽深、槽宽的适当增加可强化其降温作用最高达15K,即温升下降约33%。此外,环形槽的降温作用导致流体粘度损失减小故密封承载性能与摩擦学性能均有所提升。环形槽致使密封环内径侧径向压力梯度增大,密封泄漏率有所增加。高速工况下密封间隙内流体粘性生热严重且流动行为复杂,流体流动状态是影响跨尺度间隙流固传热过程和温度分布的关键因素之一,应用ANSYS Fluent软件在湍流与层流计算模型下建立了环形槽与螺旋槽复合式端面构型(ASG)的三维热流体动力润滑(THD)模型,对比分析了两模型下螺旋槽的冷却性能差异与环形槽的降温作用,以此揭示了流动状态对端面型槽冷却作用的影响机理,分析了型槽几何参数对两模型下温度场及密封性能的影响规律。结果表明:湍流模型下深螺旋槽内存在的大片死流体区阻碍了槽口冷流体进入到槽根部,致使螺旋槽对间隙内高温流体的冷却作用衰减;层流模型下深螺旋槽内充满更多的冷流体,冷却作用较强。内径侧环形槽在两模型下均具有显著的降温作用,且随槽深、槽宽的适当增加其降温作用得到强化;持续增加螺旋槽槽深并不能达到持续降温的目的。液膜温度峰值在湍流模型下的预测值高于层流模型约29K～40K。

关键词： 采摘机械臂   剪叉式展开结构   工作空间   刚柔耦合   样机制作  

摘要： 近些年来,我国水果产业蓬勃发展,水果种植面积逐年增加,水果的采收需求量日益增长。高挂大型水果的主要采摘方式还是依靠传统的人工作业,采摘效率低且工作强度大。采摘作业成为整个高挂大型水果生产作业中最费时费力的一个环节,机械化采摘成为高挂大型水果产业发展的迫切需要。因此研制一款能适应高挂水果采摘的机械臂具有一定的现实意义,论文的主要研究内容和成果如下:本文在调研了国内外采摘机械臂研究现状的基础上,提出一种剪叉式可伸缩采摘机械臂,该机械臂具有伸缩功能,其在完全折叠时可节省收纳空间,展开时可进行大范围采摘工作,适用于高挂水果的采摘工作。文章先对剪叉式伸缩机构进行了设计,随后完成了机械臂主体部分的机械结构设计,在CREO软件中完成机械臂整体建模。在此基础上,分析了剪叉式伸缩结构的运动特性和力学特性,结合仿真验证其设计的合理性,获取了其运动规律以及驱动源的性能参数。对采摘机械臂进行运动与动力学仿真分析及工作空间分析。采用改进D-H法建立机械臂连杆坐标系,得到其D-H参数,通过齐次坐标变换建立机械臂的正运动学方程。在MATLAB中构建机械臂仿真模型,通过轨迹规划进行运动学仿真,得到各关节运动参数,并在随后的动力学分析中,利用所得的位移参数在ADAMS中仿真得到各关节所需要的关节驱动力等参数,验证了结构设计和运动参数的合理性,满足采摘需求。针对机械臂具有大范围运动的特性,考虑连杆柔性的前提下分析其在展开过程以及静定桁架状态机械臂末端轨迹的变化。在有限元软件WORKBENCH中建立刚柔耦合模型,添加相应的约束和驱动,完成机械臂的刚柔耦合动力学仿真,并与纯刚体模型进行对比分析,分析其在工作状态的三个方向上的最大位移差值,为后续机械臂优化设计提供基础。基于剪叉式伸缩臂的结构设计,加工零部件,组装调试完成剪式伸展臂实体样机。在其基础上进行折展试验和结构动力学实验,验证伸缩臂合理的结构设计和传动装置的可靠性。

关键词： 零化动力学   零化梯度动力学   深度强化学习   神经自适应奖励信号   神经自适应动作函数   非线性动力系统  

摘要： 随着制造业的不断发展,研究智能化机械臂的高精度和高稳定性的轨迹跟踪控制问题已经成为机械控制领域的热点问题.实际应用中,机械臂所受到的外部环境和负载等因素的影响,给机械臂的运动控制带来多种复杂的非线性挑战,如摩擦、重力、惯性和弹性等因素,这些因素往往会导致机械臂表现出不稳定和不准确的现象.因此,解决这些非线性因素对机械臂控制的影响成为了一个紧迫的问题. 为了应对这些挑战,提出了一些新的控制方法,其中最有潜力的方法之一是基于强化学习和神经动力学的控制方法.强化学习是一种能够自主地学习和改进策略的机器学习方法,而神经动力学则是基于生物学神经系统原理构建的控制框架.这些方法能够使机械臂通过适应性学习来适应环境和负载的变化,并且在控制中能够自动调整控制参数,从而提高机械臂的精度和稳定性. 本文提出了一种基于深度强化学习的actor-critic算法,通过找到优化机械臂末端执行器与目标点之间距离的最优行为策略来解决校准任务.为了解决传统校准算法收敛速度慢,过度依赖初始值和局部收敛等问题,我们采用神经动力学自适应奖励和动作函数来逼近相应的奖励信号.此外,我们进一步改进该功能,使其在注意机制的指导下具有逐步机制,以应对复杂环境中的校准任务. 虽然基于深度强化学习的机械臂在收敛时间上过长,无法在实际应用中普及,但本文从机械臂自身的动力系统出发,利用Lie导数求解出了一种基于零化神经动力学的统一表达形式,以求解机械臂轨迹跟踪问题.进一步的,我们还给出了零化神经动力学控制器的全局指数收敛性,以及零化梯度动力学控制器的稳态误差界以及稳态误差的半径界在指数意义下的收敛性. 最后,除了本文讨论的仿真应用之外,我们还探索了零化神经动力学方法在其他领域的控制问题中所具有的应用潜力.由此,我们在一个具有双线性输出的非线性欠驱动船舶动力系统模型上进行了仿真实验,并对其可行性进行了分析.这些实验证明了所提出的方法在控制欠驱动船舶运动和改善其性能方面的有效性.因此,零化动力学方法为解决各种领域中具有挑战性的非线性控制问题提供了一个有效的思路.

关键词： 气动   柔性机械臂   运动学建模   动力学建模   波纹管  

摘要： 柔性机械臂多由柔顺灵活的软体材料制作而成,空间范围内自由度较高,动作具有较高的连续性,可以有效弥补传统刚性机械臂对环境适应性不足的弊端,在医疗、救援、农业生产等多方面领域都具有非常高的应用价值。在柔性执行器的各种驱动形式中,气压驱动使用可压缩气体作为工作介质,可以为柔性机械臂提供较为安全的人机交互条件。本文基于此特点设计一种以气压为主要驱动方式的并联波纹管式柔性机械臂,建立其运动学和动力学模型,并对此进行实验验证,主要工作内容如下: (1)基于人机安全及交互性要求,设计并制作气动柔性机械臂。以硅橡胶波纹管作为柔性执行器单元的主体,在执行器单元内部加装拉伸弹簧以提高柔性臂的刚度和承载能力,通过连接板、保持架等元件将三根执行器单元并联装配成柔性机械臂。当向执行器单元通入压力气体时,柔性臂可以实现伸缩、弯曲、扭转等动作姿态。 (2)根据气动柔性机械臂的空间动作特点,建立运动学模型。通过柔性臂弯曲动作时的空间几何关系,建立曲率中心为直线的恒定曲率等效弯曲模型,利用几何法分析得到气动柔性臂各执行器单元长度与等效弯曲圆弧参数之间的关系,在传统机器人学D-H法的基础上,通过空间坐标的齐次变换,得到等效弯曲圆弧参数与气动柔性机械臂末端中心位置之间的关系,通过泰勒展开分析其特殊位置点的数值奇异性问题,对柔性臂的工作空间进行了仿真。 (3)根据气动柔性机械臂的能量关系,建立气动柔性机械臂的动力学模型。利用虚功原理得到输入气体压力与执行器单元长度之间的理论关系。分析气动柔性机械臂充气动作过程中的能量关系,利用拉格朗日法,对气动柔性臂的动能和势能分别进行分析计算,建立动力学模型,得到气动柔性机械臂执行器单元的动作参数与输入气体压力之间的关系。 (4)基于气动柔性机械臂实验平台,完成柔性臂动作性能测试及理论模型验证实验。设计并搭建气动柔性机械臂的实验测试平台,利用Labview编制气动柔性机械臂的控制及数据采集程序。对气动柔性机械臂进行充气实验,柔性臂可承受最大气压为75k Pa,能实现500 g负载的稳定抓取和移动,且柔性臂动作的弯曲程度受负载的影响随负载的增大而增大。实验结果验证了运动学及动力学的理论模型中各部分映射关系的正确性和有效性。

关键词： 柔性空间机械臂   振动主动控制   奇异摄动理论   自适应模糊控制器   智能材料  

摘要： 随着舱外活动的增加和对空间系统的深入研究,柔性空间机械臂因具有大负载比、低能耗等优点,而被广泛用于空间任务中。而柔性空间机械臂会产生弹性振动,影响末端执行器定位精度和系统的稳定性。因此,对柔性空间机械臂的动力学与控制的研究是一项具有重要意义的工作。本文针对柔性空间机械臂的动力学和控制问题进行理论、仿真和实验研究。首先,为研究柔性关节对臂杆固有特性的影响,对比分析了三类边界条件下单连杆柔性机械臂的固有特性。其后,采用假设模态法对柔性臂杆进行离散,建立了浮动坐标系用以描述多连杆柔性空间机械臂的运动,利用第二类Lagrange方程建立了多连杆柔性空间机械臂系统的动力学模型。通过数值仿真研究了选取不同假设模态对系统响应的影响,并对所建立的动力学模型进行了验证。 基于柔性空间机械臂的双时标特性,引入奇异摄动理论,将系统分解为慢变子系统和快变子系统,针对慢变子系统的欠驱动特性设计了增广计算力矩控制器来实现关节控制,针对快变系统设计了PID控制器。仿真对比分析了三种轨迹规划下系统的响应,验证了基于奇异摄动模型设计控制器的可行性以及所提出的控制器的有效性。针对系统建模存在误差和不确定性,提出了自适应模糊控制器来抑制臂杆的振动,仿真算例验证了所提出的自适应模糊控制器的有效性。为验证部分所提出的控制器的实际控制性能,搭建了双连杆柔性机械臂地面实验平台,实验结果验证了所提出的控制器的有效性。最后总结了全文工作并进行了展望。

关键词： 水下机械手   动力学   滑模控制   RBF神经网络   模糊控制  

摘要： 海洋资源的开发与利用为人类面临陆地资源严峻挑战提供了解决方法,但其具体任务的实施难度却远远在陆地实施难度之上。因此装备有水下机械手的水下机器人作为主要执行者在作业和应用中起到关键作用。研究水下机械手,建立其运动学、动力学模型,并对其进行稳定控制,为完成既定的作业任务打下基础。本文主要工作和创新性成果主要有以下几点:1、以5E-Micro水下机械手为研究对象,建立运动学及动力学模型。在运动学方面,建立正运动学和逆运动学方程,求取水下机械手的雅各比矩阵,并确定机械手末端执行器所能达到的工作空间范围。在动力学方面,采用微分变换方法简化动力学方程中的惯量项、向心力项、科式力项以及重力项,最终结合数值计算所得的水动力矩完善建立的动力学方程,完成动力学仿真。2、提出两种滑模控制方案——基于预估模型滑模控制和基于计算力矩法的新趋近律滑模控制。在设计基于计算力矩法的新趋近律滑模控制器时,提出一种新的趋近律,不仅优化了基于计算力矩法的PID控制器的比例微分参数和弥补了外界干扰,同时改善了滑模控制器的抖振和趋近特性。3、为了优化基于计算力矩法的新趋近律滑模控制器,提出两种函数逼近的方法逼近系统中的干扰未知项——模糊逼近和RBF神经网络逼近。经过对比,两种方法中,RBF神经网络能够在较短的时间内收敛误差以及更加平滑地运动到稳定状态。4、最后搭建仿真系统实验平台,进行仿真实验。导入Solid Works 3D软件中建立的水下机械手模型作为被控对象,采用笛卡尔空间规划方法完成水下机械手轨迹规划,在轨迹规划的基础上利用RBF神经网络函数逼近下基于计算力矩法的新趋近律滑模控制器,完成水下机械手点到点的稳定控制。