关键词： 机械臂   激励轨迹优化   动力学参数辨识   神经网络   轨迹跟踪  

摘要： 随着智能制造概念的提出和发展,机械臂广泛应用于现代制造业的各个领域。许多机械臂高速、高精度作业都需要动力学层面的控制,而机械臂的动力学模型往往难以直接得到,需要进行动力学参数辨识。本文针对机械臂动力学参数辨识与验证的问题,从机械臂激励轨迹优化、机械臂动力学参数辨识和机械臂轨迹跟踪等方面展开了研究。主要研究内容如下:基于改进傅里叶级数和免疫克隆算法的机械臂激励轨迹设计优化。针对传统激励轨迹设计以傅里叶级数形式展开,会导致机械臂启停过程中产生抖动的问题,导致跟随轨迹精度降低,通过将多项式引入傅里叶级数代替常数项,来保证执行过程中的首尾封闭。将条件数作为优化指标,通过免疫克隆算法优化,得到一条首尾封闭,抗噪声能力强的较优激励轨迹。基于神经网络的机械臂动力学参数辨识。针对传统最小二乘回归易受异常数据的干扰,从而导致辨识精度降低。将激励轨迹作为实验轨迹,进行动力学参数辨识的实验,并实时采集得到关节角度、力矩等信号数据,采用滤波算法对数据进行滤波,通过神经网络来辨识动力学参数,在前三关节的力矩残差根要小于最小二乘以及对比文献的值,提高了动力学参数的精度和可靠性。基于MPSO优化的RBF神经网络机械臂轨迹跟踪。传统PD控制难以补偿建模不精确以及外部干扰,将控制模型分为精确部分与不精确部分,对于不精确部分采用RBF前馈网络来进行补偿,针对RBF网络收敛较慢的问题,采用改进粒子群算法来优化RBF的初始参数,并与未优化的RBF控制器进行对比分析,可以证明优化的RBF控制器拥有更快的收敛速度。基于上述的技术研究,完成了机械臂激励轨迹优化和动力学参数辨识软件模块开发。以珞石4kg机械臂为研究对象,进行了机械臂动力学参数辨识与前馈补偿控制的研究,结果表明基于前馈控制的轨迹跟踪累计误差要小于未加前馈控制,验证了动力学参数的准确性。

关键词： 变刚度   气动机械臂   有限元分析   动力学模型   滑模控制  

摘要： 与传统刚性机器人不同,软体机器人具有高柔软性、高安全性和包裹性好等优点,可以吸收外界干扰产生的力与冲击,不会对交互的环境造成任何损伤。具备优异的运动能力,以及在军事探测、医疗手术、自动化生产线等复杂环境中进行作业的能力,有很大的应用价值。当前的研究多集中于保持软体机器人本身的柔顺性,很少考虑任务中的刚柔可控性,即要求任务中具有满足一定条件的刚度和可控性。虽然软体机器人表现出其他类型机器人无法比拟的优势,但是目前软体机器人研究领域仍存在着诸多技术难题,严重约束了其在重要场景下的实际应用,其中尤为突出的是建立精准模型和控制问题。本文结合主动驱动的气动驱动结构并耦合可变刚度的阻塞机构,设计出可变刚度的软体机械臂,进行理论和有限元分析仿真以验证机构的合理性,进一步建立精准的运动学和动力学模型,通过设计滑模控制器实现运动轨迹控制,并进行分析和仿真验证,最后对变刚度软体机械臂的变刚度性能与弯曲性能进行实验验证。具体内容为:首先,在分析软体驱动器的各种驱动方式和材料的基础上,设计变刚度结构,并利用有限元分析设计出一种耦合变刚度结构的气动机械臂;由多个单元模块组成,每个单元模块包括三个部分:气动驱动结构、变刚度阻塞结构、硅胶纤维复合层。其次,针对软体机械臂进行动力学建模,利用分段常曲率法对软体驱动器进行运动学建模,分析软体机械臂末端中心位姿与关节变量的关系,从而进一步进行动力学推导,通过拉格朗日建立动力学方程。在滑模控制原理的基础上,针对建立的动力学模型提出滑模控制策略,进行软体机械臂稳定性分析和仿真,验证其正确性。然后,研究耦合变刚度的气动软体机械臂的材料和设备选型,利用3D打印技术和硅胶灌溉技术,制造软体机械臂的气动驱动模块、变刚度阻塞模块和硅胶纤维复合层,并对三个模块进行整合,制备出可变刚度的软体机械臂。最后,设计机器人气动控制系统,搭建测试实验平台,对软体驱动器进行弯曲、拉伸和响应速度的测试,验证软体驱动器弯曲角度、拉伸长度和压强之间的关系,以检验气动驱动器结构设计的稳定性和运动性能。同时,耦合上堵塞结构进行变刚度调节,对不同条件下的变刚度结构进行力-位移测试,验证变刚度机构的稳定性和弯曲性能。

关键词： 便携式受电弓检测仪   绳索系统动力学   虚拟样机   结构优化设计  

摘要： 弓网之间接触压力直接影响列车受流性能的好坏,因而需要定期测量并调整受电弓的静态接触压力。便携式受电弓检测仪可用于测量静态接触压力随升降弓高度变化的静态特性曲线,适合日常检修过程使用。本研究的目的在于分析现有便携式受电弓检测仪机械结构方面存在的缺点,在此基础上,提出一种改进的便携式受电弓检测仪机械结构方案,提高检测仪的测力精度,减小结构尺寸。对现有便携式受电弓检测仪进行分析。存在以下问题:结构尺寸较大,卷筒绕线容易出现混乱,测量精度不高等。并从理论的角度分析了受电弓升降弓过程中的弓头摆动和受电弓卷筒缠绕钢丝绳行为对便携式受电弓检测仪测力精度的影响。利用受电弓一元振动模型分析静态接触压力来源。建立便携式受电弓检测仪机械结构物理简化模型。运用Solidworks软件建立钢丝绳卷筒的三维模型,导入ADAMS软件中,采用ADAMS/Cable模块建立钢丝绳模型,并添加相应的约束、作用力,利用宏程序添加钢丝绳和卷筒之间的接触力,完成便携式受电弓检测仪机械结构虚拟样机模型的建立。对仿真结果进行分析。利用虚拟样机模型分析弓头横向偏移和卷筒缠绕行为对测力准确性的影响。结果显示升降弓过程中弓头横向偏移对测力结果会产生较大的影响,而钢丝绳缠绕过程中与滑轮槽,卷筒绳槽产生的偏角对测力结果的影响并不大,明确了下一步机构优化的重点是重新安装设计测力传感器。对机构进行改进并验证。改进的便携式受电弓检测仪机械结构的创新点在于将测力传感器安装在测力结构的底部,取消测力滑轮,添加卷筒、电机机构横向驱动,使得钢丝绳缠绕顺畅,改进后结构尺寸减小50%。建立改进机构虚拟样机模型,借助模型验证改进结构的合理性以及测力效果。通过对比分析,改进后便携式受电弓检测仪测力效果受到弓头摆动影响更小,缠绕钢丝绳更顺畅,达到预期效果。本论文共有图65幅,表14张,参考文献53篇

关键词： 软体机械臂   模态方法   运动学   运动规划   动力学  

摘要： 受象鼻、章鱼臂和舌头等肌肉结构的启发,基于仿生学开发的软体机械臂可以沿其结构的任何点延伸,收缩和弯曲。与刚性机械臂相比,具有高柔顺性、复杂环境适应性及人机安全交互性等特点。为了发挥其良好的性能,软体机械臂必须准确可靠地运动。为此,准确且计算高效的动态模型至关重要,而这离不开运动学与动力学的建模与仿真分析。本文以一类具有常曲率弯曲与伸长能力的软体机械臂为研究对象,采用一种模态方法对软体机械臂的运动学与动力学进行研究。研究主要围绕以下几个方面展开:首先,针对平面软体机械臂的运动学问题进行研究。为避免分段常曲率方法固有的奇异性与复杂的非线性,使用一种模态方法建立具有单个单元的软体机械臂运动学方程,并分析该方法的精度和优势以及运动学特性。在单个单元的模态运动学基础上推导具有多个单元的软体机械臂运动学方程,进一步分析含有多单元软体机械臂的运动学特性。接着,针对空间软体机械臂的运动学问题进行研究。在使用模态方法对平面软体机械臂运动学分析的基础上,先建立单个单元的空间软体机械臂的模态运动学模型,对其运动特点进行详细分析,在此基础上,建立了多单元空间软体机械臂模态运动学。然后,针对多单元平面和空间软体机械臂的运动规划问题进行研究。对于平面运动规划问题,分别使用一种分布式运动规划算法和粒子群算法进行研究,并比较二者的优缺点。针对空间运动规划问题,使用了粒子群算法进行研究,并分别对两种运动规划算法的有效性使用不同的数值仿真算例进行了模拟,仿真结果表明了两种运动规划算法针对不同维度问题的有效性。最后,针对空间软体机械臂动力学特性进行研究。使用第二类拉格朗日方程建立软体机械臂的动力学方程,在求解系统的质量矩阵过程中,首先将软体机械臂视为具有均匀分布质量的连续体。然后提出一种基于质心的等效集中质量动力学模型,该模型将集中质量放置在与软体机械臂能量匹配的位置(质心)。通过数值算例对两种动力学模型的计算精度和效率进行比较,结果表明该模型兼顾了采用连续分布质量进行拉格朗日方法分析时的准确性,以及采用集中质量模型分析时的计算高效性。

关键词： 逆运动学   冗余机械臂   二次规划   时变矩阵   神经网络   周期节律   协作式神经动力学  

摘要： 为克服传统手术精度低、手术时间过长易引发疲劳失误、手易引起抖动等问题,手术机器人需具有实时、稳定、高效和精准等特点。由于其功能执行主要由受控的机械臂完成,故要求机械臂能实现实时高精度控制。但机械臂在重复运动时可能会发生关节角漂移从而产生误差。本文为解决手术机器人机械臂重复运动问题,将该问题抽象为一个时变矩阵方程模型。对神经动力学进行了相关研究,并将其应用于含噪声的时变矩阵方程、与群智能体算法结合运用于求解双凸优化问题和手术机器人冗余机械臂的重复运动问题。首先,为了求解含有有限强度噪声的冗余机械臂运动问题模型,本文将该问题构建成一个时变矩阵方程模型,并提出一种变增益周期节律神经网络。分别使用4种激活函数和4种噪声进行测试验证,理论证明该神经网络具有良好的收敛性。且该网络通过与传统的认知节律网络和归零神经网络进行仿真实验对比。仿真实验表明:变增益周期节律神经网络具有更好的收敛能力和抗噪声能力。然后,将粒子群方法和变增益周期节律神经网络结合,提出一种用于求解双凸问题的新型协作式神经动力学网络。该网络具有时变特性,能够在双层时间尺度上实现两个神经网络协作式工作。理论证明该网络具有稳定性,并以值为1的概率收敛。仿真实验表明:协作式变增益周期节律神经网络的收敛效率更快,且具有一定的抗噪能力。最后,将变增益周期节律神经网络求解器运用于求解手术机器人冗余机械臂逆运动学问题,即把逆运动学问题化为一个在速度层求解的二次规划问题。此外,将协作式变增益周期节律神经网络用于求解此机械臂逆运动学问题。为验证上述网络的有效性,对变增益周期节律神经网络和归零神经网络求解器进行实验仿真对比,实验表明变增益周期节律神经网络是有效的,且效果优于归零神经网络方法。同时,结果也验证协作式变增益周期节律神经网络在求解此逆运动学问题时可实现高精度,低误差。本文对于推动神经动力学的发展以及手术机器人的技术进步具有重要意义。

关键词： 机械动力学   高等学校   教材  

ISBN: (纸本)9787040556858

摘要： 本书首先介绍了有关机械系统动力学的一些基本概念、常用动力学方程以及有关数学基础, 然后依照研究对象由集中质量到刚体再到柔性体的思路, 阐述了离散系统的弹性振动、多刚体系统动力学和多柔体系统动力学的基本原理和方法, 最后介绍了基于通用机械系统动力学仿真软件ADAMS平台进行机械系统动力学建模分析的基本步骤及其方法。

关键词： 机械式旋转导向钻井工具   工作特性   动力学分析  

摘要： 世界各国经济飞速发展，对于能源的需求不断攀升，油气开发逐渐转向煤层气、页岩气和致密油气等非常规油气资源，促使钻井深度增加，油气储层分散，井身结构朝着复杂化发展。为适应新型油气资源的开采需要，提高钻井效率，降低生产成本，本论文在对导向钻井井眼轨迹研究的基础上，提出一种新型机械式旋转导向钻井工具，并对其进行结构设计、导向钻具组合的静力学和动力学等工作特性研究，主要研究内容如下:　　首先，对导向钻井井眼轨迹进行研究分析，主要包括导向钻井井眼轨迹设计与井眼轨迹控制研究。通过对二维、三维井眼轨迹和考虑方位漂移的三维井眼轨迹设计进行研究，搭建求解模型，绘制出三维井眼轨迹对比图。通过对导向钻井井眼轨迹和导向钻具定向方向的控制研究，得出导向钻具与井眼轨迹的相互作用关系，为旋转导向钻井工具研发提供参考。　　其次，基于导向钻井井眼轨迹研究，通过对国内外旋转导向钻井技术的调研学习，完成新型机械式旋转导向钻井工具的结构设计和工作原理研究。该导向工具在钻井液压力的作用下将推块伸出，推块推靠井壁并形成推靠力，改变钻头钻进方向，进而实现对井眼轨迹的控制，使钻头准确钻达目标地层。此外，还可以通过调控钻井液压力实现对该导向工具钻井作业方式的调整，以适应不同工况需求。在结构设计的基础上，利用有限元仿真软件校核关键零部件的强度，验证结构设计的合理性;通过对执行机构运动分析，优化结构设计。　　然后，通过研究机械式旋转导向钻井工具内的钻井液流动规律，求解出该导向工具的推靠力。采用纵横弯曲法分析带有该导向工具的钻具组合静力学特性，计算出该钻具组合的造斜率。通过分析钻具结构参数与钻井参数对造斜率的影响规律，得到提升导向钻具组合造斜率的可行性方法。　　最后，研究所设计导向工具推靠力作用下的钻柱动力学特性，建立钻柱轴向和横向振动动力学模型，通过求解动力学方程得到钻柱的轴向和横向振动特性规律。通过研究钻头的力学特性，得出钻压、钻头处扭矩、井斜力和方位力随时间的变化规律。　　本文基于对导向钻井井眼轨迹的研究，得出导向钻具与井眼轨迹的相互作用关系，提出一种新型机械式旋转导向钻井工具。根据该导向工具的结构和工作特性，对其所适用的导向钻具组合进行静力学分析和动力学特性研究，通过静力学模型求解出造斜率和造斜率的影响因素规律，得到提升造斜率的有效方法;通过建立动力学模型，求解得出钻柱轴向振动和横向振动特性规律;通过钻头力系模型的建立，研究钻头力学特性。以上研究内容可为提升钻井效率和降低生产成本提供参考。

关键词： 生物材料   纤维素纳米晶   一步机械酶解法   动力学  

摘要： 纤维素是地球上分布最广、含量最丰富的可再生天然聚合物，其无毒、可再生、可降解的本质优势配合优良的机械性能使其具有广泛的应用前景。纤维素纳米晶的制备主要是采用化学法、机械法和生物法进行，但现有的制备方法都存在对设备要求高、能量需求大、生产效率低以及有毒有害废水量大等一些缺陷。由于酶解法制备的纤维素纳米晶（Cellulose nanocrystals，CNC）几乎具有与细菌纤维素相同的生物相容性和表面特征，使其成为生物医药领域最受期待的生物材料。但现有的生物酶解法受限于酶解耗时长，成本高，生产效率低等缺点，使多数酶解反应只停留在纤维素纳米晶生产过程中的预处理阶段。因此，开发新型的低能耗、高效率酶解制备纤维素纳米晶的工艺路线成为目前研究的重点。提高酶解法制备纤维素纳米晶的生产效率，有望实现纤维素纳米晶体在生物医学等领域的高价值利用，为医药用材料提供更多的选择。　　本文以微晶纤维素（Microcrystalline cellulose，MCC）为原料，采用一步机械酶解法在高固体投料量下水解纤维素高效制备纤维素纳米晶。通过单因素方法对纤维素纳米晶制备工艺的影响因素（酶种类、酶载量、缓冲溶液添加量、球磨时间、球磨转速）进行优化。得出纤维素机械酶解法制备纤维素纳米晶的最佳制备工艺为：长柄木霉纤维素酶，酶载量25U/g，缓冲溶液添加量5μl/mg，球磨时间48h，球磨转速100rpm。常温反应，在最优制备条件下CNC得率可达49.3%，是传统溶液体系酶解的三倍。　　采用透射电镜和Malvern激光散射粒度分析仪表征了微晶纤维素和纤维素纳米晶的微观形态和尺寸。结果表明，机械酶解法制得的纤维素纳米晶为两端略窄的均匀短棒状结构，直径为20~50nm，长度分布在250~400nm范围内。X射线衍射结果表明，纤维素纳米晶与微晶纤维素均属于纤维素Ⅰ型，机械酶解过程并未改变MCC和CNC的晶体结构，结晶度也大致相同。傅里叶红外光谱表明CNC与MCC并没有明显的特征峰的差异，CNC仍具有天然纤维素的基本化学结构且没有出现其它的官能团。热重分析结果表明，CNC具有更高的热稳定性，最大失重温度为360℃。快速比表面与孔隙度分析仪表明随着球磨时间的延长，纤维素材料的孔隙面积和体积逐渐增大。　　通过化学反应动力学和米氏方程模型对机械酶解法水解纤维素进行拟合，得到纤维素在机械酶促反应下的反应级数符合准一级动力学模型。通过分型动力学模型对机械酶解反应机理进行研究，结果表明：在一定范围内，一步机械酶解法的反应速率常数K值随着转速的增加而增加，这可能是碾磨冲击产生的机械力改变了纤维素的物理化学结构，破坏纤维素表面和酶之间的吸附平衡，促进酶深入渗透纤维素并与之结合从而促进酶解反应的进行。在转速为100rpm时，分形维数数值最低，推测与扩散有关的速率延迟减弱有关，易于生物质水解。对反应活化能和指前因子进行分析发现在较低温度下，机械酶解反应仍能保持较高的酶解效率，无需额外的热源，反应活化能为20.16KJ/mol，指前因子为56.54，这一结果可以为纤维素机械酶解的进一步研究提供更精准的方向。

关键词： 柔性机械臂   刚柔耦合   碰撞   摩擦   非光滑  

摘要： 由于发射成本和运载能力等条件的限制,在太空中空间机械臂是由细长轻质的杆件组成的一种柔性机器人,这种结构的机械臂相对于工业机器人,结构的柔性变形不可忽略。在作大范围运动过程中柔性机械臂会发生振动现象,并且在捕获目标物的时候,柔性机械臂会受碰撞力和本身柔性变形的影响,其动力学特性会发生改变。针对上述问题本文主要研究了柔性机械臂的建模理论、碰撞动力学的建模方法,并将相关理论运用到多杆柔性机械臂碰撞动力学建模中。本文首先对柔性机械臂进行动力学建模,建立一次刚柔耦合动力学模型和一次简化模型并进行动力学对比,结果表明两种动力学行为没有差异。以一次简化模型为基础,建立柔性机械臂正向碰撞动力学模型。对冲量-动量法、连续接触法、接触约束法进行了研究,通过对比发现柔性机械臂的不同碰撞建模方法的区别和动力学特性差异。并进一步研究FGM柔性机械臂的材料分布指数对碰撞动力学特性影响。其次,以正向碰撞动力学建模理论为基础,基于试错判断的条件,针对三种正向碰撞建模方法的不同特性提出了相应的含摩擦的建模处理方法。在冲量-动量法中引入黏滞和滑动冲量势概念并对其动力学特性进行研究,并对不同摩擦系数影响进行对比。在连续接触法中根据运动学条件求解切向黏滞摩擦力,通过状态判断计算对应摩擦力,并和光滑化的修正模型进行动力学特性对比发现该方法可以相对准确描述摩擦力变化。在接触约束法中,根据初始条件时间Δt→0,提出了一种考虑发生滑动和黏滞两种初始条件的冲量-动量法求解方法,并在黏滞时建立了考虑最大静摩擦的一种动力学模型,进行仿真证明描述黏滞摩擦力相对准确。然后,对于接触约束法理论含摩擦建模方法进一步研究,建立了两种关于LuGre模型的碰撞动力学方程,并和接触约束法的Coulomb摩擦模型动力学特性进行对比,证明通过LuGre模型可以建立统一的动力学模型并且和试错法相互验证对黏滞时摩擦力描述的准确。对于接触约束法的互补算法建模研究中,建立了采用步进冲量法的互补算法求解初始速度,在连续碰撞力和摩擦力计算中根据相关理论建立考虑最大静摩擦的一种互补算法模型,并通过与试错法进行对比证明该方法的正确性。最后,根据含摩擦的碰撞动力学建模理论,通过结合D-H法的递推思想建立一种高次刚柔耦合的通用的多杆柔性机械臂动力学方程,并对多杆柔性机械臂含摩擦碰撞问题进行建模仿真。