关键词： 协作机械臂   神经网络   参数辨识   力矩拟合   碰撞检测  

摘要： 机械臂在工业生产中的广泛应用,极大地提高生产效率。为了进一步提高在精细化、非标准化的工作场景下的生产效率,人机协作的生产方式应运而生。而协作机械臂的工作场景多是非结构化且部分环境未知,因此发生物理上的碰撞在所难免。现有碰撞检测技术存在非线性扰动因素导致发生漏检、错检问题,影响人机协作时的工作效率和安全性。本文针对人机协作中安全问题,以动力学参数辨识、神经网络力矩拟合、基于动量观测器的碰撞检测技术为主要研究内容,力求得到精准的机械臂动力学模型,提高关节力矩拟合效果,快速检测人机协作时的碰撞,提高人机协作时的工作效能和安全性。 1)基于牛顿欧拉法进行连杆动力学建模,对机械臂动力学参数辨识。在假设关节为刚体的情况下,选择库伦加粘滞的关节摩擦模型,建立UR5型机械臂的动力学模型,对动力学模型线性化分析,得到最小惯性参数集,并设计五阶傅里叶级数机械臂激励轨迹。采集关节信息,对电流、速度、加速度噪声进行滤波预处理,而后基于最小二乘法辨识参数,结合验证轨迹对辨识结果进行分析。 2)在传统逆动力学建模的基础上,引入神经网络对机械臂关节力矩进行拟合。搭建全连接的多层的神经网络架构,比较不同隐藏层层数对辨识结果的影响。进一步加入循环神经网络结构,使得全连接神经网络可以学习和记忆长序列信息,解决全连接网络架构因为过拟合而出现的梯度消失问题。实验结果表明与基于动力学模型预测出的力矩相比,神经网络模型有更好的力矩辨识精度,且能够明显提高力矩计算的平滑性,减少摩擦等非线性因素对参数辨识的影响,保证在噪声下的参数辨识准确性。 3)在建立精准动力学模型的基础上,搭建基于广义动量的观测器和基于扩张状态的观测器进行碰撞检测。对扩张状态观测器通过拉普拉斯变换在频域上分析,将系统临界二阶阻尼系统改造为变阻尼的二阶系统,既保留了临界阻尼系统较好的瞬态响应效果也降低了初始超调量。然后在仿真软件中搭建2连杆模型,验证增益系数对观测系统的影响;搭建6轴的UR5机械臂模型和障碍物模型,进行碰撞检测仿真,各个关节的观测器都可以准确观测力矩变化,进而停止运动减少碰撞伤害。 4)在UR5型机械臂上进行碰撞检测实验,验证碰撞检测算法的可靠性。基于固定阈值法实现碰撞检测,对机械臂关节分别进行了碰撞实验,验证观测器的时延性;对机械臂末端以不同运动方式进行碰撞实验,验证观测器的稳定性。

关键词： 半主动式动力吸振器   定日镜   智能材料   结构设计   控制系统  

摘要： 风载荷作用于定日镜镜面产生的振动是引起定日镜聚光效率下降的主要因素,因此抑制风载荷引起的镜面振动对提高光热发电站的发电效率非常重要。其中安装动力吸振器是抑制振动的手段之一,被广泛应用与研究。 新型智能材料-磁流变弹性体其储能模量可由外加磁场进行控制,并且可控可逆性好、响应快、能耗低,具有宽广的应用前景。在减振领域,常作为变刚度元件被用于动力吸振器中。 本文基于磁流变弹性体的磁致变刚度特性,设计了一款频率可调式的半主动式动力吸振器,并考虑定日镜安装空间和承载能力的工程实际,提出了在定日镜镜面和支撑结构之间安装动力吸振器的设想。首先根据定日镜的动静力学分析,建立镜面-动力吸振器-支撑结构-立柱的耦合动力学模型,基于运动学原理和运动微分方程对定日镜振幅进行分析求解,并采用MATLAB数值仿真的方式研究了吸振器的结构参数对吸振性能的影响;其次根据动力吸振器的结构参数、定日镜的振动特点及安装位置等因素,对半主动式动力吸振器的结构及尺寸进行了设计,并对其磁场强度、磁场均匀性、温升特性及吸振性能进行了适应性仿真;最后采用Labview软件实现了对定日镜振动信号的采集、分析处理及吸振器输入电流的调控,满足对定日镜振动及其抑制实时控制的需求,并通过实验验证了所设计的半主动式动力吸振器的移频特性和吸振性能。结果表明:设计的基于磁流变弹性体的半主动式动力吸振器结构合理、频率可调;吸振效果在激励频率接近主系统固有频率时最大,其加速度振动振幅降低了12%;控制系统能够实现对定日镜振动信号和半主动式动力吸振器输入信号的闭环控制。

关键词： 机器人耦合关节   多自由度机械臂   动力学建模   激励轨迹优化设计   惯性参数辨识  

摘要： 我国已进入人口老龄化社会,失能老人数量逐年增加,养老护理人员短缺问题日趋严峻。对失能老人的护理任务中,移乘转运是重体力劳动,是制约居家“老老护理”(高龄夫妇之间或高龄子女对父母的照护)的主要因素。为提高双臂移乘护理机器人的负载能力,同时实现与人的安全平滑接触,本文提出一种耦合驱动机械臂关节,设计多自由度机械臂,并建立机械臂的动力学模型,为多自由度双臂护理机器人的设计提供支撑。主要研究内容包括以下四个方面: 首先,面向移乘转运护理的大负载需求,设计了一种基于差动原理的耦合驱动关节,并设计了利用耦合驱动关节的6自由度机械臂。对耦合驱动关节进行了运动学分析,并利用Adams进行了运动学模拟仿真分析。将机械臂等效为串联6自由度连杆机构,采用MD-H法对机械臂进行运动学建模,求解了机械臂的雅可比矩阵,基于Solid Works与MATLAB联合仿真,对模型进行了验证,在此基础上,利用蒙特卡洛方法求解了机械臂的工作空间。 其次,利用拉格朗日法建立了耦合驱动关节的动力学模型,分析了关节输入和输出之间的关系。根据机械臂为外部串联结构的特点,利用牛顿-欧拉方法,建立了机械臂的动力学模型,并将线性摩擦库伦-粘滞摩擦模型纳入到整体的动力学模型当中。利用Adams与MATLAB的联合仿真进行了模型的验证,在此基础上,对机械臂的动力学方程进行了线性化处理,求解了机械臂的最小惯性参数集,并利用Sym Py Botics对参数集进行了验算。 然后,为了辨识护理机器人机械臂的最小惯性参数集,设计了基于傅里叶级数形式的激励轨迹,并基于最小条件数指标,对激励轨迹的系数进行了优化,得到了可用于辨识实验的激励轨迹。利用搭建的护理机器人平台,将优化后的激励轨迹用于机械臂动力学参数辨识实验,基于加权最小二乘辨识算法,获得了护理机器人机械臂的惯性参数和摩擦参数。通过力矩误差的均方根对比,验证了参数辨识的准确性。 最后,把所设计的耦合驱动6自由度机械臂应用于双臂移乘护理机器人,在确认关节平滑运动的基础上,开展了双臂抱人移动的实验,结果表明,护理机器人的机械臂具有大负载能力,能满足抱人动作和移乘转运的需求。

关键词： 数字化转型   企业绩效   定性比较分析法  

摘要： 随着以数字化为主旋律的产业变革不断深化,数字化转型成为多数企业实现高质量发展的重要举措。机械制造业作为国民经济支柱行业,如何在激烈的竞争中结合自身资源和数字技术实现科学有效的转型进而提升绩效成为关键问题。本文选取机械制造业的排头兵企业—陕鼓动力作为研究对象,使用案例研究法对其数字化转型绩效进行分析。首先,分析陕鼓动力数字化转型的内外部动因;其次,基于流程再造理论、数字化赋能理论和组织变革理论探究陕鼓动力数字化转型的路径;再次,基于陕鼓动力的转型路径选取对应指标进行绩效分析,从横向和纵向比较陕鼓动力数字化转型前后的绩效变化;最后,从技术、组织以及环境维度选取指标,借助定性比较分析法(QCA)分析影响数字化转型绩效的相关因素,同时归纳总结有利于机械制造企业提升数字化转型绩效的影响因素组合。研究结果表明:第一,良好的政策环境支撑以及行业供过于求产生的激烈竞争是陕鼓动力进行数字化转型的外部动因,内部动因则是源于企业的生产效率低、管理制度陈旧以及产业结构单一;第二,陕鼓动力数字化转型对绩效的影响路径有三条:借助过程智能化平台赋能生产经营、通过服务智能化延伸价值创造链、通过产品智能化打造竞争优势;第三,陕鼓动力的数字化转型整体提高了企业的绩效水平。过程智能化降低了企业的管理费用率并提高了企业的存货周转率,服务智能化推动了企业营业收入增长率和净利润增长率的提升,产品智能化对企业的销售净利率、资产价值创造能力、研发创新产出能力以及企业品牌价值都有一定程度的改善和促进作用;第四,对机械制造业数字化转型绩效的影响因素进行分析后发现,在技术、组织、环境三个维度变量的共同作用下能够推动企业实现数字化转型绩效的提升,若想在有限的资源前提下成功实现数字化转型,企业应优先提升自身的内源融资能力和研发强度,同时应注重企业竞争力的变化。最后本文得出的启示有以下三条:(1)及早制定数字化转型战略规划有利于企业的长久发展;(2)企业应注重数字化人才的培养和引进;(3)企业应根据自身实际情况进行数字化转型。

关键词： SPECT   多刚体动力学   间隙激励   刚柔耦合动力学   疲劳寿命  

摘要： 作为一种先进的核医学影像设备,人体SPECT在疾病诊断与脏器功能成像等方面有着广泛的应用。SPECT的机械系统具有高承载、多自由度、多工作模式等特点,这使得运动机构中不易发现的间隙、松动等问题成为造成SPECT设备故障的隐患,甚至威胁到人身安全。因此,深入研究SPECT机械系统动力学特性,尤其是间隙激励下的动力学特性,对SPECT设备运行状态评估、故障诊断具有重要意义。在对工作原理及工作模式分析的基础上,建立了SPECT机械系统三维模型。基于多体动力学仿真平台Adams,建立了SPECT主回转机构和探测器平移机构动力学模型。采用多刚体动力学分析方法,对SPECT的典型运动机构,如行星齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、直齿圆柱齿轮传动、丝杠传动等进行了动力学仿真分析。针对90°模式和180°模式工况,详细分析了主回转传动齿轮和探测器平移机构的动力学特性。基于Hertz接触理论,研究间隙激励下主回转齿轮传动机构与丝杠传动机构动力学特性。分别探究了主回转齿轮与驱动齿轮、丝杠螺母与螺母套接触力的变化情况,以及接触力随间隙增大的变化规律。结果表明,主回转齿轮与驱动齿轮在间隙值超过0.5 mm时,间隙碰撞产生的接触力开始出现快速增长,且对负载敏感的切向接触力显著大于径向接触力;丝杠螺母与螺母套随着间隙的增大,间隙碰撞产生的接触力变化趋势呈现指数型增长。采用刚柔耦合动力学分析方法对主回转齿轮、驱动齿轮,平移机构中的螺母套进行应力分析,并确定不同间隙工况下各零部件的应力集中情况。结合应力分析结果,采用S-N曲线法,完成了主回转齿轮、驱动齿轮、螺母套的疲劳寿命分析。针对不同间隙工况,观测了疲劳寿命随间隙的变化情况。结果表明,在满足设备使用安全的前提下:主回转齿轮与驱动齿轮间隙应控制在0.5 mm内;X向螺母套间隙应控制在0.17 mm内;Y向螺母套间隙应控制在0.19 mm内。

关键词： 机械密封   计算流体力学   振动干扰   动力学方程   响应  

摘要： 非接触式机械密封的工况复杂,运行过程中容易受到多种因素影响。非接触式机械密封的研究涉及流体力学、摩擦学、接触理论、传热学、相变、振动力学等多个学科领域的影响。目前非接触式机械密封的主流研究主要集中在端面摩擦磨损、密封性能和端面热力学变形上。本文结合机械密封的基本相关理论基础,利用计算流体力学和机械振动的知识,采取科学的研究方法,研究可应用于核反应堆冷却剂泵密封件的扩压式自泵送流体动静压机械密封,在考虑振动干扰条件下,其密封性能和振动特性响应规律。首先介绍了非接触式机械密封中的扩压式这种新型密封结构形式,说明其在密封系统中的结构特性和作用。其次考虑了端面液膜的存在,使用三维建模软件进行了实体建模,运用流体力学的知识,依靠仿真软件对三维层流模型进行了流体域的仿真分析。接着,研究了在多种工况参数(结构参数和操作参数)下,扩压式自泵送流体动静压机械密封的密封性能,进一步得到振动力学的动力学特性参数,重点分析了液膜厚度和槽数对液膜动力学特性参数的影响。而后建立了轴向密封振动系统,利用小扰动法叠加原理,计算了系统振动过程中的轴向位移,联立振动方程和泄漏率计算公式,以泄漏率作为振动响应,动态分析了在不同振动干扰形式下的响应规律。最后,加工得到了扩压式自泵送流体动静压机械密封环,使用激励生成装置在泵用机械密封试验平台上测试验证其受到振动干扰后的密封性能。主要的研究成果和结论如下:(1)分析了扩压式自泵送流体动静压机械密封三维层流模型的流动特性,给出了密封性能的各项评价指标计算公式,得到了在确定的结构参数和操作参数下,扩压式自泵送流体动静压机械密封的泄漏率、开启力、垂直于密封端面Z方向上的速度矢量以及液膜阻尼,为进一步分析密封系统的振动规律提供了动力学特性参数数据。(2)建立了扩压式自泵送流体动静压机械密封轴向振动模型。考虑辅助O型圈的刚度和阻尼以及密封环端面间液膜的刚度和阻尼,建立了以静环-液膜-动环-弹性元件为研究对象构成的密封振动系统,分析受力情况,用矩阵表达形式构建了扩压式自泵送流体动静压机械密封受到振动干扰时的动力学方程组。(3)采用小扰动法叠加原理,结合基于Newmark-β法的动力学方程和泄漏率计算公式联立,把泄漏率作为密封振动系统的响应。分析可知,泄漏率正值表明是密封振动系统的真实泄漏,负值表明系统内的密封环存在相互接触和碰撞的情况。分别考虑密封振动系统在自由衰减振动、自激振动以及极端条件的平稳随机地震动干扰对系统的密封性能影响。研究表明:自由衰减振动下密封环端面液膜大小在1.6μm以内,即使考虑了振动干扰其密封性能依旧良好;低转速下主轴转动引起端面液膜失稳产生自激振动的激励形式,这种振动干扰会显著影响到密封性能,需要考虑主轴转速和初始振幅大小;Ⅰ类场地VII级地震烈度的平稳随机地震动干扰下密封会发生失效,地震烈度越大则响应越大。(4)使用激光打标机对动环端面加工出螺旋槽和扩压环槽,称量密封振动系统各部件的质量,利用信号发生器、功率放大器和激振器组成的外部激励生成装置进行不同压力条件下的密封性能实验,和仿真计算数据对比发现试验的泄漏率偏大,分析并给出可能产生该试验结果的原因,为后续进一步改进相关实验内容打下基础。

关键词： 空中机械臂   BP神经网络   蝴蝶优化算法   系统辨识   终端滑模  

摘要： 空中机械臂是一种旋翼飞行器和机械臂的组合体,其能够机动灵活的实现面向复杂环境的主动作业,在环境采样、应急救援和设备维护等领域应用广泛。但随着作业机械臂的加入,系统出现了续航能力弱、机械臂附加扰动大的问题。故本文采用绳驱动技术对作业机械臂进行改善,这里将新系统称为绳驱动空中机械臂。随着绳驱动技术的引入,系统的建模和控制也面临巨大挑战。为此,本文首先对旋翼飞行器动力学、绳驱动机械臂动力学和子系统耦合等进行分析;进一步地,根据绳驱动空中机械臂系统特性,提出了基于神经网络的系统辨识策略;最后,考虑到绳驱动机械臂系统的稳定性差且受扰动严重的问题,设计了鲁棒控制器。本文的具体工作将如下展开: 首先,为提高空中机械臂的稳定性,专门设计了四旋翼飞行器和对应绳驱动机械臂结构。详细分析了四旋翼飞行器的飞行机理、位置动力学、姿态动力学和动力系统模型。采用牛顿-欧拉法建立了绳驱动机械臂的动力学模型,并分析了绳索引入带来的柔性问题以及绳驱动机械臂运动时对旋翼飞行器的扰动,最终建立绳驱动空中机械臂的完整动力学模型。 然后,针对绳驱动空中机械臂存在机理建模困难、微小参数无法精确辨识、辨识过程繁琐和系统拟合程度低等问题,提出了基于神经网络的系统辨识策略。考虑到传统BP神经网络存在收敛速度慢、局部最优等问题,引入蝴蝶优化算法对其权值、阈值进行寻优。在室外飞行实验中采集数据,并对数据进行滤波、微分和归一化的处理,最终在Matlab中进行了神经网络离线辨识实验,并验证了模型的正确性。 最后,面对绳索柔性、飞行器震动和环境干扰给机械臂控制带来的挑战,采用分数阶非奇异终端滑模来保证系统的鲁棒性和快速收敛的性能,引入线性扩张扰动观测器对机械臂受到的柔性动态、飞行器震动和外界因素的干扰进行估计与补偿。在李亚普诺夫稳定性框架下,所设计控制器的稳定性得到证明。最终在仿真和室外实验中证明了该控制器的高精度和强鲁棒性。

关键词： 劳动力成本   机械化   农业产业升级   中介效应   区域异质性  

摘要： 2023年中央“一号文件”明确提出要全面推进乡村振兴,并着重强调了要实现包含粮食和重要农产品稳产保供、加强农业基础设施建设、强化农业科技和装备支撑在内的九大任务,其中推进产业振兴更是实现乡村振兴发展目标的重中之重。劳动力作为农业产业最基本的生产要素,其投入水平与质量与农业发展水平密切相关。一方面,劳动力投入是农业生产的基础,劳动力生产效率的提升或先进生产技术的应用推动了整个农业产业乃至国民经济的发展;另一方面,进入新世纪以来我国农业劳动力成本快速提升,其中农户平均工资性收入增加了8.04倍,主要粮食作物中稻谷与小麦的雇工工价则分别上涨了6.06与4.94倍,农业劳动力成本的持续攀升成为了制约我国农业效益与竞争力提升的主要因素。农业机械化作为传统农业向现代农业转变的重要载体,其应用对粮食增产的贡献率达到了20%以上,是未来推动农业产业升级的重要方式。因此,在劳动力成本持续增长的背景下,有必要探究劳动力成本、机械化与农业产业升级之间的相互关系,为促进农业产业升级提出对策建议。本文主要研究的是劳动力成本、机械化对农业产业升级的影响。首先,本文通过梳理国内外有关劳动力成本、机械化与农业产业升级的相关文献,以此为研究切入点确定研究内容及研究方法。其次,对劳动力成本、机械化与农业产业升级的概念进行界定,基于成本理论、诱致性技术变迁理论以及产业升级理论,从理论上探讨了劳动力成本对农业产业升级的影响机理。然后,基于集约、高效、结构合理和可持续等四个维度构建了农业产业升级指标体系,对劳动力成本、机械化与农业产业升级进行了描述性统计分析,确定了变化特征与趋势。最后,选取全国各省(直辖市、自治区)的相关数据,通过构建固定效应模型、中介效应模型与系统GMM模型研究劳动力成本、机械化对农业产业升级的影响,进一步验证可能存在的中介效应与区域异质性。通过理论分析与实证研究,本文得到的主要结论有:(1)我国农业机械化与产业升级水平在劳动力成本上升背景下持续增长。面对着劳动力成本的上升,我国农机总动力与大中型农业拖拉机总动力占比分别维持在10亿千瓦与50%左右,农业综合机械化率显著提升,农业机械化的发展有效替代了劳动力投入并推动了我国农业产业升级,分区域来看,我国东部及东北农业产业升级发展水平最高,中部地区次之,西部产业升级水平最低。(2)劳动力成本上升促进了农业产业升级。劳动力成本每上升1%将带来农业产业升级水平0.059%的提升,其通过优化居民消费需求结构、提升劳动者素质以及改变生产要素投入配置水平来倒逼农业产业升级。(3)机械化在劳动力成本上升影响农业产业升级的过程中发挥着重要作用。劳动力成本影响农业产业升级的总效应中大约有11.92%是通过促进农业机械化的发展来实现的。(4)劳动力成本对农业产业升级的影响存在着明显的区域异质性。东部与东北部地区劳动力成本上升显著推动了农业产业升级,而中部与西部地区的影响却并不明显。(5)当前的农业产业升级发展水平会受到过去因素的影响。滞后项农业产业升级的系数为0.84,这表明往期的农业产业升级水平对当前有着显著的正向影响。基于论文研究目标及结论,本文提出如下对策建议:(1)积极引导资源要素向农村地区聚集,促进农村劳动力回流。(2)因地制宜提高农机应用水平,降低农业劳动力投入成本。(3)优化完善农机具补贴体系,促进农业机械化发展。(4)明确产业发展方向,促进农业产业向现代农业转变。

关键词： 振动病   手臂系统   非线性振动   多尺度法   随机激励  

摘要： 长期密集地暴露于手部传递的振动是手臂系统肌肉骨骼疾病发展的一个风险因素。为了减少手传振动的危害,探究振动病的发病机理,有必要对手传振动作用下的手臂系统进行动力学响应分析。探究不同因素对振动响应的影响,掌握系统的动力学响应规律,为手臂振动病的防治提出有效建议。 人体手臂系统是由肌肉、骨骼等构成的具有非线性因素的复杂弹粘性系统,为研究手臂系统在手传振动下的响应特性,建立了二自由度非线性动力学方程,并使用非线性多尺度法对多种共振问题进行分析求解。 研究了手臂系统在简谐激励和随机激励两种情况下的主共振问题,结果表明:第二阶主共振幅频响应曲线的“跳跃现象”更加明显,其非线性特性更强,这与理论分析结果一致。改变系统参数,主共振的振幅、共振区域、二阶矩会随着外激励力的增大而增大,随着系统阻尼的增大而减小。比较发现手臂系统主共振二阶矩存在的充要条件,与对应确定性周期激励下解的稳定条件是一致的。 对手臂系统在简谐激励和随机激励两种情况下的次共振问题进行研究,应用多尺度法对第一阶骨骼系统的二次超谐共振、二分之一次亚谐共振、三次超谐共振、三分之一次亚谐共振进行分析。求得了三分之一次亚谐共振的存在条件和判定曲线,分析发现在实际人体物理参数的范围内系统三分之一次亚谐共振并不存在。通过数值计算,研究了外部激励、系统阻尼、非线性刚度对次共振的影响。 对手臂系统的内共振问题进行研究,应用多尺度法对2:1型双重共振和3:1型双重共振进行分析求解,得到了双重共振下各阶模态随不同调谐值变化的响应规律和系统各阶模态振幅、共振区域受系统各参数的影响规律。在双重共振发生的条件下,系统内共振会抑制主共振的发生,导致模态振幅有趋于稳态的情况产生。以上研究结论可以为手臂振动病的防治和发病机理的研究提供一定的动力学依据。 图104幅;表0个;参58篇。