关键词： 空间柔性机械臂   运动学   动力学   柔度矩阵   有限元   紧急制动   冲击  

摘要： 随着空间技术的不断发展,人类对太空的探索进一步的发展,空间机械臂将要扮演着重要的角色。尤其是在协助宇航员的舱外活动时,灵活的运用空间机械臂将会提供充分的便利以及安全性。由于空间机械臂的轻质量与工作范围大的特性,不可避免的引入一定的柔性。因此空间机械臂是一个具有强耦合、非线性的时变动力学系统。对空间柔性机械臂的动力学建模以及相应的动力学特性进行分析,是为后续提高机械臂的位置控制精度的基础研究。首先,建立7自由度机械臂的运动学与动力学模型。运动学模型是利用欧拉角的正运动学描述方式、对给定机械臂末端的位置和姿态进行表达。考虑关节处谐波减速器以及传感器带来的柔性建立7自由度空间柔性机械臂的动力学模型。建立单自由度刚性、柔性机械臂的动力学模型然后推导出7自由度空间柔性机械臂的动力学模型。其次,根据柔性机械臂的动力学模型以及柔度矩阵理论对空间机械臂的在轨刚度进行计算分析与验证。由于空间机械臂在执行空间任务时具有不同的构型,采用有限元分析其在各构型下的在轨刚度存在非常大的工作量而难以实现,因此提出一种基于柔度矩阵理论建模的计算方法并进行了验证。由空间柔性机械臂运动学模型与动力学模型,提出了柔度矩阵理论建模的计算方法;然后通过对机械臂在2种典型构型下有限元分析对理论进行了验证;最后对机械臂进行了地面展开刚度试验验证。然后,根据柔度矩阵理论算法对机械臂模型进行简化分析,分析机械臂末端在紧急制动时的抖动情况。利用有限元软件Patran以及柔度矩阵理论对机械臂有限元模型进行化简,对机械臂的两种典型构型末端负载为空载、宇航员与3t的负载时的情况进行分析,将理论模型的计算的结果与有限元计算的结果进行比较。计算得出机械臂在不同情况下发生紧急制动时末端的制动距离。最后,为了模拟空间机械臂所受不同时长冲击后的抖动情况,将模型导入动力学仿真软件中进行分析,根据提出的柔度矩阵理论进行相关参数设置,然后根据预估的宇航员脚蹬机械臂末端时产生的力设置末端负载,并在不同时长下做冲击抖动分析。同时以刚性机械臂与柔性关节机械臂做对比试验发现,当不考虑机械臂柔性时,在受到不同时长冲击时机械臂末端不会出现抖动情况;当机械臂为柔性关节机械臂时,在受到不同时长冲击时机械臂末端会在移动一段距离后在其附近发生抖动。

摘要： 2014年1月原机械与材料学院更名为机械与动力学院,学院现设有机械设计制造及其自动化、机械电子工程、材料成型及控制工程、工业工程、能源与动力工程、核工程与核技术六个本科专业,其中机械设计制造及其自动化为国家特色专业、第二批卓越工程师教育培养计划专业和省本科品牌专业,材料成型及控制工程为第三批卓越工程师教育培养计划专业。拥有机械工程一级硕士点、机械工程专业学位点、机械工程领域工程硕士点、工业工程专业学位点,机械制造及其自动化为湖北省重点学科。目前,在校全日制本科学生近2000人,在读研究生160余人,毕业生的一次就业率一直保持在90%以上。学院拥有水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室,工程训练中心等,实验室建筑面积1.2万平米,设备仪器总值2000余万元。

关键词： 双连杆机械臂   线性自抗扰控制   鲸鱼优化算法   分数阶   轨迹跟踪  

摘要： 机械臂通过改变关节处的电机转速和转动方向来调整其姿态和位置,传统的刚性机械臂具有体积大,重复操作精度高,不易发生弹性振动等特点,常用于工业制造生产中;而柔性机械臂有着重量小,能耗低,响应速度快等优势,在医疗、国防等领域大放异彩。因此,两种机械臂的动力学建模、轨迹控制算法等成为研究人员的热点研究问题。然而,多连杆刚性或柔性机械臂具有强耦合、非线性等特点,且在进行工作任务中会受到内部扰动和外部干扰的影响,致使其控制精度降低。本文针对多连杆机械臂中具有代表性的双连杆机械臂为研究对象,对其动力学参数辨识和自抗扰控制器设计问题展开研究,主要内容如下:首先,本文选用双连杆刚性机械臂和双连杆柔性机械臂为对象进行研究,根据拉格朗日方程推导两种系统的动力学模型,同时,对双连杆机械臂线性自抗扰控制器设计的步骤进行了分析。其次,针对双连杆刚性和柔性机械臂在初期生产装配、中后期使用磨损所带来的系统参数变动问题,设计了量子鲸鱼优化算法,提出辨识策略,对两种系统的动力学模型参数进行辨识,数值仿真体现了其良好的辨识效果。再次,将线性自抗扰控制器用于双连杆刚性机械臂的控制,并对控制器的性能进行了分析,在现有控制器的不足上进行改进,对机械臂的连杆一设计了带比例微分项的线性自抗扰控制器,增强了抗干扰性;对机械臂的连杆二设计了自适应增益的线性自抗扰控制器,使系统调节更加平滑。所提方法与PID和传统的线性自抗扰对比具有更好的控制性能。最后,考虑柔性关节带来的弹性振动和外界干扰问题,通过奇异摄动法,对双连杆柔性机械臂这种刚柔耦合系统进行解耦操作。对解耦后的快速子系统设计微分补偿控制器,慢速子系统设计分数阶线性自抗扰控制器,通过两种控制器的复合控制实现柔性机械臂关节的抖动抑制和系统总扰动的消除。数值仿真实验表明,相对于整数阶线性自抗扰控制器,该复合控制器能有更好的控制效果。

关键词： 轴承故障动力学   数据生成   少样本   迁移学习   域对抗识别  

摘要： 近年来,随着人工智能技术的发展,机械设备智能故障诊断方法日益丰富。旋转机械故障危害重大,轻则会影响机械运行效率,重则会导致设备失效,造成时间、财物的损失甚至危害人员生命健康。在旋转机械故障诊断任务中,许多诊断方法仍需要大量的有标记数据进行训练,而且许多模型通常采用与训练集数据非常相近的数据进行验证,这就导致了模型不具有大规模的泛化能力,在新的场景的需要重新训练。但是大量有标记故障数据在实际的应用场景中是难以获取的,而有标记的无故障运行数据却很容易获取,这样的任务特点使得传统方法部署到实际场景中非常困难。为了解决数据缺乏的问题,本文提出一种基于故障动力学模型与领域适应学习驱动的智能故障诊断方法,以旋转机械中的重要组成部分滚动轴承为例,通过轴承故障动力学模型生成的模拟数据与真实场景中的轴承数据,引入域对抗迁移学习方法完成无标记和少样本下的故障诊断任务。首先,介绍轴承故障一般形式,分析不同的振动特征频率对应的轴承异常状况,如故障、不平衡、不对中等,并基于轴承-转子动力学构建具有故障表征能力的轴承2自由度故障动力学模型。然后,引入特定实例下的轴承几何参数和形状参数,通过数值积分方法求解动力学方程,获取不同健康状态和不同仿真工况下滚动轴承的振动仿真数据,然后结合实际情况中健康状态下的轴承信号以便结合真实场景中的工况和背景噪声信息。滚动轴承的动力学模型包含了轴承在不同健康状态下的关键特征,可以用于辅助训练故障诊断模型。最后,通过少样本域对抗故障诊断模型对三组实际案例进行故障识别。结果表明,基于动力学和领域适应算法的故障诊断框架,对缺少标记数据的轴承故障识别场景具有较为良好的识别性能。

关键词： 柔性机械臂   不确定性分析   随机响应分析   区间算法   运动可靠性  

摘要： 实际的多体系统中,由于问题的复杂性,在结构参数、材料特性、载荷、边界条件和计算模型等方面都包含了各种不确定性。其中参数的不确定性会显著改变系统的动态响应,并影响机构的稳定运行和准确定位,特别是在非线性系统中。刚柔机械臂系统作为复杂的非线性动力学系统,在其大范围刚性运动过程中伴随着自身的弹性变形,对于系统的动态性能有很大的影响。这些不确定性参数和柔性臂的弹性变形都是影响机械臂末端定位精度和运动稳定性的主要因素。因此考虑刚柔机械臂系统所含参数的不确定性,对其进行不确定性动力学响应分析及运动可靠性研究有其重要的理论价值和实际的工程意义。首先,本文以刚柔耦合双连杆机械臂系统为研究对象,基于欧拉伯努利梁模型并采用假设模态法,得到柔性机械臂变形的离散化描述,基于混合坐标方法同时根据拉格朗日方程建立系统的确定性动力学模型,并且进一步研究了系统中的结构参数和材料参数的取值对于系统动力学特性的影响,分析结果表明系统各参数的合理取值可获得更好的动力学特性。其次,分别考虑系统所含参数的随机不确定性和区间不确定性问题,在确定性模型的基础上,将刚柔耦合双连杆机械臂系统确定性动力学模型转化为相应的不确定性模型,分别采用基于多项式混沌展开的随机响应面法和基于截断序列的切比雪夫扩张函数对其进行不确定性动力学响应分析,并与蒙特卡洛法的分析结果进行对比,以验证文中所采用的分析方法的正确性和有效性,在此基础上进一步研究当系统中含有单个以及多个不确定参数时,参数的不确定性及其不确定度的大小对于系统动力学输出响应的影响,结果表明文中不确定性分析方法的正确性,且参数的不确定性对于动力学输出响应的影响不能忽略。最后,在不确定性分析的基础上,分别研究含有随机参数和区间参数的刚柔耦合双连杆机械臂系统的运动可靠性问题。首先建立系统的可靠性分析模型,然后对其进行运动精度分析,采用不同的方法求解柔性机械臂的运动功能可靠度,最后分析系统参数的不确定性对系统运动可靠性的影响。

关键词： High temperature   Irradiation effects   Plasticity   Residual stresses   Thermal shock   Tungsten  

摘要： High heat flux facing components (HHFFCs) under extreme thermal loading often fail due to surface damage and crack propagation as a result of combinations of mechanical and thermal loading. Body centered cubic (BCC) refractory metals, such as tungsten (W) and 9Cr steels, are good candidates for HHFFCs due to their high melting temperature and excellent mechanical properties. However, applications of these materials in extreme thermal and radiation environments are limited by their brittle response at low temperatures, and by thermal creep and degradation of their mechanical properties as a result of re-crystallization at high-temperature. The main objective of this thesis is to investigate the influence of high temperature rate-dependent plasticity (creep), under both cyclic and steady loading, on the evolution of residual stresses, plastic strain accumulation, and thermal shock resistance of tungsten, tungsten foam, and 9Cr steels (F82H and Eurofer). The approach is mainly experimental, where constitutive modeling of material behavior and Finite Element (FE)analysis are used to analyze and understand experimental results. This work is focused on designing controlled thermomechanical experiments to investigate solid W and W foam fracture under a variety of constrains and loading conditions. We also construct multiphysics FE models of stress evolution in large-scale fusion energy structures (First Wall and Blanket (FW/B)), where thermal, mechanical, and radiation effects are taken into consideration. Special sample fixtures are designed and fabricated to apply certain constrains and boundary conditions under high heat flux thermal loading. Additionally, a heat flux sensor is designed to properly measure the incident heat flux on samples tested in the High Energy Flux Test facilitY (HEFTY). Extensive experimental testing revealed that W foam can be used as a sacrificial (armor) material for high heat flux applications because of its resilience. The majority of foam sa

关键词： 函数型聚类   函数型主成分   基函数拟合   农业机械总动力  

摘要： 我国是一个农业大国,提升农业机械化信息管理水平,对于提高农业生产效率、提高农业资源利用率以及实现农业农村现代化可持续发展具有重要意义。随着大数据时代的快速发展,农业机械化信息管理中涉及的数据类型也变得相对更加复杂,有大量的具有连续表示特征的复杂数据,传统的统计分析方法已经无法更好的来分析这类函数型数据,这时就需要用到函数型数据分析方法来处理这类数据,该方法能够深层次地分析实际问题中的高维数据。因此本文主要通过利用函数型数据分析方法,对我国农业机械总动力年度数据进行实证分析。首先,介绍了函数型数据的几种基函数的拟合原理,并分别对我国农业机械总动力数据进行了拟合处理,结果表明B样条基函数的拟合效果优于其他的基函数,不论是对具备周期特征的数据还是不具备周期特征的数据,它的适用性都较大。其次,分别探讨了k-means聚类分析方法和函数型聚类分析方法,并提出了函数曲线的分段距离加权余弦相似系数的度量方法,实证结果表明本文提出的基于分段距离加权余弦相似系数的函数型聚类分析分类效果最好。然后对我国31个省市的农业机械总动力增长速度,即函数曲线的一阶导数将曲线进行分类。分析结果表明我国农业机械的发展潜力可以按不同省市划分为多种类别,农业机械发展速度相对较缓慢的省市仍有很大的发展空间,因此,地方政府应该加大对这些省市的政策扶持力度。最后,运用多元统计主成分分析和函数型主成分分析分别对农业机械总动力数据进行分析,这两种方法的实证研究结果都表明,影响我国农业机械总动力均值波动的因素是两个方面,其中主要因素是农业机械总动力较大的省市的拉动作用。并用农机总动力的函数主成分得分进行k-means聚类,实证研究表明基于函数型主成分得分的聚类分析结果优于传统聚类分析结果但逊于基于分段距离加权余弦相似系数的函数型聚类分析结果。

关键词： 老龄化   粮食生产效率   农业机械化   随机前沿分析  

摘要： 当前,国际形势复杂多变,必须要保障粮食安全,把中国人的“饭碗”牢牢地端在自己手中,那么提高粮食生产效率显得尤为重要。但近年来中国人口的低出生率低死亡率和城镇化进程的加快,造成农村劳动力老龄化的问题愈加严重,青壮年向“非农化”转移,那么耕地“谁来种,谁来管”,无疑是留守在村的老年人口成为种植粮食的劳动力。老年劳动力的体力及健康水平都不及青壮年,而农业生产又需要大量的体力劳动,那么老龄化会不会对粮食生产效率产生不利影响?随着农业现代化水平的提高,农业机械的使用解放了劳动力,集约化、规模化的经营有利于提高粮食生产效率,那么农业机械化会不会在老龄化对粮食生产效率的影响中起到调节作用呢?基于此,本文对以下内容展开研究:(1)通过查阅相关文献,了解以往学者的研究及相关理论,分析劳动力老龄化对粮食生产效率影响的理论依据及农业机械化调节作用的影响机制,构建逻辑框架,理清内在联系。(2)采用描述性统计方法分析样本数据情况,老龄化现状以及主要变量。(3)利用中山大学公布的2018年“中国劳动力动态调查”数据,基于随机前沿生产函数模型测度粮食生产效率并对效率进行对比分析。(4)在理论分析与基本现状分析基础上,利用1598份全国农户样本,基于随机前沿生产函数模型测度的粮食生产效率,实证检验劳动力老龄化对粮食生产效率的影响。进一步探索农业机械化在劳动力老龄化对粮食生产效率影响的调节作用,并进行稳健性检验。通过本文研究,得到以下结论:实证结果表明(1)劳动力老龄化抑制粮食生产效率的提高;(2)农业机械化缓解了劳动力老龄化对粮食生产效率的抑制作用;(3)家庭劳动力个数、粮食补贴抑制粮食生产效率的提高;耕地灌溉率、家庭平均受教育年限、粮食收入占比、地形、粮食主产区促进粮食生产效率的提高;信息接收程度对粮食生产效率的影响不显著。结合上述研究结论,本文建议:(1)政府要完善基本生活保障,减轻其生活负担,提高老年人口健康水平;(2)应提高机械化水平,加大力度推广农业社会化服务,设立针对老年劳动力的农机购置补贴,研发针对老年劳动力的新型操作简便的农业机械,促进其对农业机械的使用来弥补劳动力老龄化引起的负面影响;(3)加强对农业劳动力的人力资本投入,提高基础教育,并对老年劳动者加强技能培训,提高自身素质;(4)加强农业基础设施建设,良好的灌溉条件有利于粮食生产效率的提高,以保障粮食生产;(5)应适度粮食补贴,提高农户对粮食生产的重视程度,促进农户种植积极性。

关键词： 粮食生产   农业劳动力   农业机械化   驱动效应  

摘要： 农业劳动力转移和农业机械化对中国新型城镇化建设和农业现代化至关重要,而粮食安全是国民经济发展的基石,明晰三者之间的内在关系有利于保障国家稳定和促进国家发展。本文阐述了农业劳动力和农业机械化两者关联效应对中国粮食生产的影响机制,采用KAYA恒等式模型将农业劳动力转移、农业机械化和粮食生产纳入了同一分析框架。在此基础上,采用对数平均迪氏分解法,将农业劳动力转移和农业机械化的关联效应划分为规模效应、数量效应、装备效应和效率效应,考察了在2001年至2019年期间作用于中国粮食生产的4大效应在时间上及空间上的变化特性。研究结果表明:(1)从全国层面来看,规模效应对粮食生产由2001—2007年的轻微抑制转为2007—2013年的显著正向促进,且在2013—2019年正向促进作用显著下降;从省域层面来看,规模效应对我国10个粮食主产区的粮食增产促进效应尤为显著;比较而言,研究期间粮食主销区粮食作物播面积显著下降,由此导致规模效应显著抑制了其粮食生产。(2)全国及省域层面的分析均表明,当前中国农业劳动力转移已达刘易斯拐点阶段,在其他条件不变的情形下,数量效应成为中国粮食增产的最大阻碍,这在11个粮食主产区表现尤为突出。(3)全国及省域分析均表明,装备效应已成为中国粮食增产的最大驱动力,这在11个粮食主产区表现突出。(4)全国及省域分析均表明,在农业劳动力转移已达刘易斯拐点且粮食生产综合机械化率已超过80%的条件下,由于受到边际技术替代率递减规律的制约,农业机械每新增一单位对农业劳动力的代替数量将不断减少,农业机械投入的粗放增长将会导致效率效应成为阻碍中国粮食增产的因素,这在中国农业机械化基础较好的平原地区以及中西部丘陵山区已有明显表现。因此,为进一步促进中国粮食产量持续稳定增加,必须建立不同粮食生产功能区间的利益补偿机制,严格落实党和政府对粮食安全的共同责任,巩固安全底线,优化乡村发展条件以稳定和培育一批新型职业农民队伍,因地制宜地均衡不同区域粮食生产的农业机械化发展。

关键词： 精细化探测   混联构型   3-UPS&S并联机构   运动学模型   动力学模型  

摘要： 石窟寺探测保护工作事关民族传统文化传承发展,然而其形制多样,赋存地质环境复杂。为了科学阐明石窟寺岩体变形破坏过程和失稳机理,需要对洞窟壁面病害特征进行精细化探测。依托国家重点研发计划“石窟寺岩体稳定性预测与加固技术项目”(项目编号:2019YFC1520600),开发了专用智能探测机器人,将探测机器人设计为底部行走系统与顶部机械臂操作系统。顶部机械臂用于搭载各种探测及信息采集设备。因此,顶部机械臂设计是该智能探测机器人研发的核心之一。根据石窟寺精细化探测需要,本论文提出一种冗余多自由度混联机械臂的新思路:基于6-DOF串联机构和3-UPS&S并联机构提出构造一种新型9-DOF混联机械臂。全文对该混联机械臂构型及关键结构参数进行优化设计,并建立了机械臂运动学及动力学模型。(1)对该混联机械臂构型及关键结构参数进行设计。采用构型关联矩阵表达出该多自由度混联机械臂构型信息。基于构型评价指标,建立构型优化模型,通过遗传算法,得到最优构型。根据关节驱动力矩及机械臂单位尺寸工作空间,建立关键结构参数优化模型,通过MALTAB计算得到最优参数。(2)建立机械臂运动学模型。采用D-H参数法与欧拉变换法建立正运动学模型。通过对机械臂进行逆运动学分析,提出运动解耦方法,根据串、并联机构的位姿分离原理,采用分步求解方法建立逆运动学模型。对机械臂前端6-DOF串联机构,采用牛顿拉夫逊数值迭代方法与解析法两种方式分别进行求解。采用闭环矢量法建立末端腕关节逆运动学模型。(3)采用牛顿-欧拉法建立机械臂动力学模型。根据平行轴定理对模型进行线性化处理。考虑机械臂运动时受摩擦力影响,采用线性近似摩擦力模型,得到完整的待辨识动力学参数表达式,通过最小二乘方法及其递推形式对动力学参数进行辨识。(4)对机械臂进行仿真分析。采用蒙特卡罗法对机械臂工作空间进行了求解;根据目标运动轨迹及姿态变换过程验证了运动学模型的正确性;通过将ADAMS动力学仿真结果与模型求解结果进行对比,验证了动力学模型的正确性。研究结果表明,所建立的模型正确有效;该新型混联构型机械臂工作空间大,灵巧性好,适用于复杂地形地貌的探测工作。