关键词： 水下机械臂   水动力学   惯性水动力   粘性水动力   牛顿-欧拉法   动力学分析  

摘要： 水下机器人可替代人类在未知与危险环境中探索作业,被广泛应用于海洋勘探、核电维检等水下任务,集特殊性与复杂性于一体的水下工作环境对机器人的作业精度及可靠性提出更高要求。水下机械臂作为水下机器人的重要组成部分,其动力学模型是灵活作业与精准控制的重要前提,但现有水下机械臂动力学研究存在未充分考虑水环境影响的问题,以致水下机械臂动力学模型构建的精确性与完整性亟待提升。针对上述问题,本文开展基于计算流体力学的水动力学数值计算研究,实现基于水动力学的水下机械臂动力学模型分析与建立,通过模拟仿真与实验验证方案准确性。本文的主要研究内容如下:1、针对水动力学深入分析现有研究方案,总结适用于大多数水动力学研究的一般假定条件,补充惯性水动力及粘性水动力特有的假定条件;分析解决水动力学问题的两大基本控制方程,选定二方程模型k-ω为合适的湍流模型;基于Morison公式建立由水阻力与附加质量力形成的惯性水动力数学模型,基于泰勒展开式建立由位置力、旋转力与耦合力形成的粘性水动力数学模型,并提取各模型中需求解的未知系数。2、基于计算流体力学分析求解水动力学模型中的未知系数,通过模拟不同工况下机械臂的水下运动,测定并分析机械臂的受力情况;采用理论分析与数值计算相结合的方法分别计算以水阻力、附加质量力为核心的惯性水动力学系数和以位置力、旋转力、耦合力为核心的粘性水动力学系数,建立完整且符合实际工况的水动力学模型。3、基于牛顿欧拉法建立机械臂动力学方程,分别推导外推迭代与内推迭代动力学算法的计算公式,并针对所研究机械臂进行具体的分析与计算;考虑所研究机械臂的运动及受力情况,具体分析水下机械臂的摩擦力影响与浮力影响;基于广义化水下机械臂动力学方程,系统整合动力学模型、水动力学模型及其余影响因素所建数学模型,建立完整的水下机械臂动力学模型。4、针对三种不同机械臂尺寸模型及六种不同运动工况,搭建水下机械臂与水体环境的仿真及实验平台,仿真模拟静水环境中水下机械臂运动,通过比较水动力仿真力矩值与水动力学模型计算力矩值,验证水动力学模型建立的准确性;实验测定静水环境中水下机械臂驱动力矩值,与水下机械臂动力学模型计算力矩值相比较,验证基于水动力学的水下机械臂动力学模型建立的准确性。

关键词： 液压机械无级变速器   动力学   动态响应   PID控制  

摘要： 双行星排液压机械无级变速器(Double Planetary Row Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission)是混合式液压机械无级变速器的一种,该结构采用了两个行星排实现功率分流和汇流,通过连续调节液压部分的排量比来影响输入端输出端的传动比,从而实现更宽的调速范围。本文所研究的双行星排液压机械无级变速器也是按照大速比调节范围所设计,要实现实际工程运用,必须对其动力学特性进行研究。本文对液压机械无级变速器的近年发展情况作了概述,总结出其中大部分的研究集中在静态调速特性方面,对于动力学特性研究较少,从而确定了本文研究的主要内容。首先推导了系统结构的转速方程、加速度方程,以及非平衡状态下的动力学方程。通过对三条功率流的分析,指出了不存在功率循环下的可用排量范围。结合已推导的方程,在可用排量比的范围内得到各轴的转速变化图。由于马达性能是限制系统最大输出力矩的瓶颈,根据马达的压力和排量就能推导出变速器最大输出力矩与排量比的关系图。接着是对泵马达回路特性进行分析,将泵和马达的转速比转换为泵马达的排量比,分析了内泄漏对排量比的影响,以及排量比变化率的可控变化范围。分析已推导得出的动力学方程,绘制出各个齿轮相互作用力、泵马达的力矩与排量比和排量比变化率的关系图,分析各因素的影响,从而指出系统动态变化过程中排量比变化太快造成部分齿轮受力急剧增大,需要对其变化率进行限制。然后是设计无级变速器的PID控制策略,以目标转速与实际转速的偏差为输入,排量比变化率为输出。以动力学方程为依据,在Simulink中建模,仿真分析在负载力矩和目标转速发生变化时,系统输出转速以及排量比的变化过程,结果表明此结构的无级变速器目标转速变化时响应快,动态特性好,负载阶跃和冲击作用下的响应相对较慢,在周期变化负载作用下,输出转速波动较大,动态特性较差。最后是在AMESim中通过系统内置的泵马达、齿轮等弹性元件建模,采用相同的控制参数,最初的输出在稳态时存在高频振荡,对PID控制信号低通滤波后,输出转速趋于稳定,对比Simulink中仿真的结果,系统的动态响应特性基本一致。

关键词： 线驱动柔性机械臂   多柔体动力学   动力学仿真   碰撞过程  

摘要： 随着航天事业的发展,太空碎片的清理日益受到人们的重视。与传统刚体机器人比,软体机器人在抓捕目标时的自适应能力强、冗余度高,成为近年来的研究热点领域之一。软体机器人按照驱动方式可以分为,流体弹性驱动、线驱动、热驱动、光驱动、电驱动、记忆合金驱动和电活性聚合物驱动等。目前,国内外对软体机器人的研究重点为结构和驱动方式创新,研究过程较为耗材费时,较难实现针对无重力等特殊环境下的实物模型实验。本文以线驱动柔性机械臂为研究对象,提出了一种多柔体动力学建模方法,分析了柔性机械臂捕获装置在无重力环境下抓取目标物体过程中的动力学特性,研究了捕获装置抓取目标物体过程中的碰撞问题。首先,基于拉格朗日方程和有限元方法,建立了柔性机械臂的多刚体动力学模型和多柔体动力学模型;其次,进行了计算模型与实物柔性机械臂运动轨迹和变形状态的对比;再次,在精度较高的多柔体动力学模型的基础上,分析了影响模型弯曲轨迹和变形状态的动力学因素;最后,通过动力学仿真分析了柔性机械臂捕获装置在无重力环境下捕获目标物体过程中的内力变化,研究了驱动力和阻尼比对柔性机械臂捕获装置的捕获范围和抓取碰撞力的影响。研究表明,本文建立的多柔体动力学模型能够较好地模拟线驱动柔性机械臂的运动轨迹和整体变形状态。驱动力和阻尼比对线驱动柔性机械臂捕获装置在无重力环境下的捕获轨迹和碰撞力均有影响。碰撞力与驱动力正相关,与阻尼比负相关;捕获范围与碰撞力变化趋势相反。在捕获装置模型抓取过程中,四根柔性机械臂的弯曲内力均会有一个激增,与球形目标物体接触点位置附近的内力最大。

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、

关键词： 设备机房   巡检机器人   斜坡和转弯行走   机械系统设计   静力学分析   动力学仿真  

摘要： 随着人工智能科技的发展,机房智能化安全管理和运维将成为必然趋势。为了实现机房巡检的自动化、智能化,国内多家企业和科研机构开始研究应用于机房设备巡检的移动机器人。为了克服现有轨道式巡检机器人机械系统存在的不足,本文研发设计一款新型轨道式机房巡检机器人,用于代替人工对机房设备进行巡检,有效避免人工巡检存在的安全隐患,提高设备巡检的效率。本文在调研分析国内外巡检机器人研究现状的基础上,结合机房内部环境特点,提出了一款由轨道系统、行走系统、伸缩系统三大模块组成的新型轨道式机房巡检机器人机械系统,可以满足水平、斜坡和转弯行走以及升降的需要。在确定新型配电轨道的截面形状和安装方式之后,完成了行走系统传动机构、导向机构、取电装置以及一种多级丝杆逐级联动伸缩系统的方案设计和详细结构设计。整个机器人可从轨道上任意位置快速拆卸取下,伸缩系统结构紧凑、伸缩比较大。针对机房巡检机器人爬坡、转弯两种典型工况,基于力平衡条件和接触变形协调条件,建立了机器人整体的静力学模型,求解了轨道与所有导向轮之间的接触状态和接触力;考虑结构约束和避免运动干涉要求,获得了机器人行走的最小转弯半径。根据力分析计算数据,完成了行走系统驱动电机和伸缩系统驱动电机的选型。针对所设计的轨道梁结构,基于有限单元法分别对轨道梁横截面结构参数和轨道梁的安装跨距进行了静力学分析和参数优化。利用ANSYS Workbench对机器人的关键零部件进行了承载能力分析,结果表明所设计的机器人结构满足强度和稳定性要求。建立了机房巡检机器人机械系统的虚拟样机模型,利用ADAMS软件对其进行了动力学仿真,研究了行走系统、伸缩系统单独工作和组合工作多种工况下驱动电机输出扭矩随时间的变化,仿真结果表明驱动电机选型合理。研制出第一代物理样机,验证了机器人机械系统设计的可行性和功能实现的有效性,为该类巡检机器人后续的设计完善和推广应用提供了依据。

关键词： 连续型软体机械臂   运动学   动力学   参数自适应学习控制  

摘要： 近年来软体机器人成为国际一大研究热点,不同于传统刚性机器人,软体机器人有着柔顺性好、质量轻、安全的人机交互以及灵巧性好等优势。但目前的研究主要集中在软体机器人的结构创新与仿生设计上,对于建模与控制方面的研究还不完善。本文针对一种通用结构的连续型软体机械臂,进行运动学、动力学建模,并提出一种参数自适应学习控制方法,提高机械臂控制精度。提出一种连续型软体机械臂的结构设计方案,详细说明软体连续性臂直线以及弯曲运动的原理。在保证自由度的同时尽可能简化其结构,并以此单腔道和三腔道软体臂结构为基础进行相应的模具设计。此外还探索了软体臂的制作工艺流程,提升了制作效率以及质量。基于等曲率段假设,提出连续型软体臂的弯曲参数运动学模型,通过高阶多元泰勒级数展开的方式进行模态化转换,以形函数替换的方式解决弯曲参数运动学存在的奇异点邻域范围内数值不稳定的问题,使得模型在软体臂的直线运动时仍然适用。并根据拉格朗日法,建立了三腔道连续型软体臂的动力学模型,推导得到运动方程。此外,根据建立的模型对三段三腔道柔软臂进行运动学正解以及逆解的仿真。基于建立的软体臂模型,通过对模型预测控制(MPC)以及迭代学习控制(ILC)的有效集成,结合两种控制器的优点,提出了一种模型参数自适应学习控制方法。通过MPC得到反馈气压,ILC得到前馈补偿气压,带入模型求解得到误差矩阵,并求解二次优化问题来优化每次迭代的模型参数,在提高模型参数精度的同时,实现期望轨迹追踪。通过算法仿真以及与传统闭环反馈控制进行比较,验证了算法的合理性。完成连续型软体机械臂的实验样机的硬件系统搭建以及软件系统开发,分别开展单腔道、三腔道软体臂的相关验证实验以及三腔道软体臂的期望轨迹追踪实验,验证本文所提出的连续型软体机械臂的结构设计、理论模型、控制算法等内容。

关键词： 纳米La2O3   钛粉   微观组织   力学性能   耐蚀性  

摘要： 随着民用机场客货吞吐量的扩张,各类动力机械的动力需求和负荷快速提高。在动力机械高强化发展的必然趋势下,发动机的气门座区域需要更好的性能条件。激光熔覆技术凭借自身独特的优势,既能够实现大面积表面修复,也能完成局部区域精确的表面改性。因此,本文选择蠕墨铸铁为基体材料,利用激光熔覆技术其表面制备不同激光工艺参数、以及不同熔覆材料配比的复合合金熔覆层,来改善蠕铁材料表面的强度和性能。利用SEM、EDS等技术手段,通过组织观察、硬度测定、电化学测试以及摩擦磨损实验,来探究激光功率、扫描速度、纳米氧化镧添加量和钛粉质量比对激光涂层晶粒结构和力学性能的作用,来揭示蠕铁表面激光涂层性能变化规律与机理。本文首先设计了不同功率与扫描速度共6组工艺参数,对实验获得的涂层进行观察及各项性能测试,结果表明:适当的降低功率与提高扫描速度对组织晶粒有明显的的细化作用,这对硬度的提高、耐磨性与耐腐蚀性的改善都有一定的积极作用。对改变纳米氧化镧含量的熔覆层进行研究,确定纳米La2O3的最佳添加量为2%,稀土氧化物添加量对细化组织的影响规律为2%>1%>3%>0%,这与其对涂层的硬度、耐蚀性与耐磨性的影响规律相同;在0～2%范围内添加纳米氧化镧能够使熔覆层中的Cr、Ni、Si等元素增加并加速熔池中元素的扩散作用;在纳米La2O3的添加量为2%时,抑制裂纹效果最好。稀土氧化物含量为添加量为0%、1%、2%时,熔覆层的磨损类型为磨粒磨损+氧化磨损,添加量为3%时为磨粒磨损。最后,本文对熔覆材料配比变化为含钛量为1.5%和2.5%的涂层进行研究,结果表明,钛粉能够起到细化组织的作用,并且这种作用与Ti粉含量成正相关;钛粉的质量比越多,涂层组织晶粒就会越细化,组织表现出更优异的均匀性,熔覆层的硬度增加,具有更好的耐蚀性与耐磨性;Ti的添加能够提高覆层中的Fe、C的含量,同时熔覆层中Mo、Co的含量也有少量增加;Ti粉对熔覆层中产生的CO气孔孔隙有着一定的抑制作用,随着Ti含量的增加,孔隙率有所降低。

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。

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

摘要： 我校计算机与信息技术学院李健博士2020年获批国家自然科学基金青年项目:机械臂控制中不同层时变问题求解的神经动力学研究.项目批准号:62006205.机械臂是由多个可控制的关节组成的机械装置,具有安全、高效的优势,被广泛应用于智能制造领域.机械臂控制算法往往只能在某个固定的实际应用环境中有效,当面对其他复杂环境,其通用性较差.例如,机械臂控制算法通常假设机械臂关节均能正常控制,