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关键词： 熔丝制造   多自由度3D打印   场景感知   平面重建  

摘要： 工业机器人已经成为工业界广泛使用的装备,基于工业机械臂的熔丝制造平台能够充分利用其多自由度、高灵活性等特点,支持大尺度结构的打印和多机协同,正在航空、航天和建筑等领域显示出巨大的应用潜力。但是多自由度FFF打印装备的运动机构和承载机构常采用分离设计,打印过程中需要精确配准多轴执行机构和打印承载平面的相对位置,增加了系统操作的复杂性。基于机器视觉的识别跟踪和空间配准是当前常用的方法,但受限于视觉定位的精度,难以满足熔丝制造工艺的要求。因此,如何发挥多自由度打印的灵活性,提升装备场景感知能力,降低系统操作复杂性是目前基于机械臂的多自由度打印系统研发和应用面临的主要挑战之一。本文提出一种基于场景感知的智能多自由度熔丝制造打印方法,通过结合机器视觉、点云重建和深度学习技术从实际场景中完成打印平面的快速定位与打印坐标系的快速配准,实现场景感知以辅助多自由度FFF打印机完成打印工作。在定位过程中,本方法使用RGB-D相机捕获打印场景信息,通过空间点云重采样与基于深度网络的三角化快速重构承载台平面,并结合二维视觉标记在打印空间中进行姿态估计,实现打印机构与承载台之间的动态配准。具体工作包括以下几个部分:1)在工艺流程方面,提出一种面向多自由度FFF系统,支持场景感知打印平台和相应的工艺流程。首先构建以机械臂坐标系为基准的打印坐标系,利用深度传感器实现对打印场景信息的识别,将模型及打印数据转换到基准坐标系中,实现多自由度3D打印过程中的自动化配准,最终基于机构间的配准信息完成模型在打印坐标系中的切片,生成多自由度打印系统的加工工艺,降低系统的操作难度。2)在场景配准方面,以RGB-D格式数据为输入,提出一种基于泛洪填充算法的空间均匀采样方法,根据场景中离散的深度数据,构建面向点云的三维空间主动轮廓模型,通过算法迭代将初始轮廓曲线引导至采样平面边界。在轮廓扩展迭代的同时,对轮廓曲线进行插值采样,以此获取稀疏且均匀分布的点云。对于重采样的点云数据,基于打印场景构建样本集用于模型训练,通过深度神经网络实现对承载台平面的快速三角化网格重构,以提高场景感知的效率和精度。3)在可视化控制方面,引入增强现实操作界面完成模型的装入与工艺生成。在此过程中使用基于最小二乘原理的迭代最近点算法,完成模型接触面到承载台平面的配准,并通过可视化界面指定模型的放置位置。界面支持将打印模型与路径轨迹同步展示在UI端,以支持更加灵活的工艺仿真与测试。本文基于UR3机械臂构建自配准多自由度熔丝制造原型系统,并针对平台与工艺分别展开交互式工艺生成和制造实验测试。实验结果表明,基于场景感知的自配准打印具有任意位置平面的打印能力,并且能够简化多自由度打印流程,避免繁琐的手动配准和定位。重构平面的配准精度能够满足常规0.2-2.0 mm打印喷嘴尺寸,并在不同打印场景下实现稳定配准。

关键词： 微定位平台   二自由度转动平动   压电驱动器   柔性矩阵  

摘要： 随着微/纳加工、半导体制造、生物医药、光学稳像的不断发展,这些领域对微定位平台的要求越来越高。现有的微定位平台难以满足在自由度、转动行程、平台体积、尺寸等方面的严格要求。因此迫切需要设计一种新型的微定位平台,以满足光学稳像中对转动和平动的定位需求。本文的主要研究成果如下:介绍了微定位平台的应用及研究意义,对现有平台的拓扑结构进行了分析总结。通过理论计算、分析了制约转动行程的关键因素,提出了一种提升转动行程的方法,确定了一种双驱动链平行并联结构。该构型相比传统结构,减小了驱动器使用数量、压缩了体积、简化了结构,不仅使其更加便于操作控制,还大幅度提升了转动行程。平台具有单驱、双驱两种工作模式和转动、平动、复合运动及转轴移动等多种定位能力。基于柔性矩阵法和伪刚体法,考虑外部负载对放大比的影响,建立了复合桥式机构输入输出模型。将上下复合铰链与水平复合铰链做等效替换,避免了大量平移矩阵和旋转矩阵的应用,便于理论计算、参数优化和数据处理。整体平台的运动静力学分析,充分考虑了不同工况,在放大机构负载刚度影响和寄生位移影响下,计算衰减量进一步精确推导了传递比、输入刚度、运动行程模型。基于集中质量法和拉格朗日运动微分方程,建立了复合桥式位移放大机构和二自由度微定位平台的固有频率解析模型,评估了平台动态性能。通过分析各参数对输入刚度和传递比的影响,结合灵敏度分析确定了平台尺寸参数。通过静力学仿真,分析了平台单驱、双驱特性,发现了两位移放大机构的放大比不同。为此建立了放大比、输出电压、输入位移三者的比例因子,通过调节输入电压或输入位移,解决了由于两位移放大机构上升速率不同不能获得纯净平动的问题,实现了对平台平动的有限元仿真,验证该比例因子的有效性,同时运动行程仿真结果的证明了理论建模精度。最大应力分析说明了平台在材料许用应力下工作。模态仿真得到了平台一阶、二阶固有频率。制作样机搭建实验平台,开展了一系列平台性能研究工作。实验测试结果表明,一阶共振频率为662.70Hz,单驱最大转角为12.50mrad,双驱最大转角为22.90mrad,双驱平动最大位移为95.03μm。转轴拥有在x轴上从-4745.27μm到4542.45μm的移动区间。开环控制下阶跃响应稳定时间为80ms,转动分辨率是5μrad。耦合误差分析,转动时y方向上的轴向跳动的最大位移为5.5μm,平动时x、y方向最大位移分别为8.78μm和6.70μm。实验结果、理论计算和仿真分析三者之间互相印证,对比分析结果证明了理论计算和仿真分析的有效性。本文所设计的定位平台性能与其他定位平台相比,具有结构紧凑体积小、转动行程大、谐振频率高等优点。

关键词： 六自由度并联机器人   3C行业   数学建模   动静态性能分析   性能评价指标  

摘要： 2022年,我国3C(Computer,Communication and Consumer electronic)行业总产值已超过5万亿元。然而,过低的自动化程度正逐渐成为该行业发展的制约。六自由度高速并联机器人具有刚度高、承载能力强、工作精度和速度高且姿态灵活等优点,是实现3C行业自动化升级的最优解。目前,适用于3C行业的六自由度高速并联机器人构型很少,我国在该领域的研究尚处于初步探索阶段,仍面临如下问题:1)传统的六自由度高速并联机器人结构复杂,工作空间小,且技术专利被国外垄断;2)缺少系统性的动静态性能分析方法与物理意义明确的性能评价指标;3)尺寸设计多以经验和仿制为主,缺少严谨的数学依据。本论文针对上述背景与问题,以一种新型六自由度高速并联机器人为对象,研究了其数学建模方法、动静态性能分析方法并基于此对该机器人进行了多目标尺寸优化设计,其具体研究内容如下:结合3C产品制造中的高速、高精度和大工作空间的实际功能需求,本论文提出了一种具有大工作空间的新型三分支六自由度高速并联机器人。然后,建立了该机器人的完备运动学模型,具体包括:该机器人的位置反解模型、封闭形式的位置正解模型、速度模型和加速度模型。最后,通过仿真实验验证了新型六自由度并联机器人完备运动学模型的正确性和有效性。基于该机器人的完备运动学模型,分析了该机器人的工作空间和奇异性。推导了该机器人发生奇异的条件,给出了新型六自由度并联机器人工作空间的搜索方法和推荐工作空间的定义,对比了在相同的尺寸参数下新型六自由度并联机器人与传统的HEXA类型并联机器人的推荐工作空间大小。新型六自由度并联机器人的推荐工作空间是HEXA类型并联机器人的3倍。此外,通过引入RGB颜色坐标的方法,提出了一种新的六自由度并联机器人完整工作空间的表示方法,并给出了新型六自由度并联机器人完整工作空间的三维表示。基于该机器人的完备运动学模型和虚功原理,建立了该机器人的完备动力学模型,推导了该机器人在关节空间中的动力学方程和惯性矩阵的表达式,并通过仿真实验验证了新型六自由度并联机器人完备动力学模型的正确性和有效性。基于该机器人在关节空间中的惯性矩阵表达式,提出了一种新的无量纲动力学性能评价指标,该指标能直观地表示六自由度并联机器人的加速性能,并且该指标考虑了六自由度并联机器人各驱动器之间的耦合关系。给出了新型六自由度并联机器人在不同位姿参数下的新的加速能力评价指标分布图,分析了该指标的分布规律和新型六自由度并联机器人在其工作空间能的加速能力。提出了一种适用于分支含闭环结构的六自由度并联机器人精确静刚度建模方法和简化静刚度建模方法,并给出了简化静刚度模型的解析表达式。然后,考虑力载荷和力矩载荷的耦合关系,提出了一种新的不受坐标系选择影响的静刚度性能评价指标,该指标能表示六自由度并联机器人在单位力载荷和单位力矩载荷同时作用下的最大应变能。最后,通过仿真实验验证了两种建模方法的正确性。比较了两种建模方法所得到的新指标在同一平面内的分布规律,证明了简化静刚度模型的有效性。基于3C产品制造的实际需求,选择工作空间体积、加速能力和静刚度性能作为核心指标,构造了目标函数。采用NSGA-II算法对新型六自由度并联机器人的尺寸参数进行了多目标优化设计,并得到了新型六自由度并联机器人的多目标Pareto最优解集。最后对Pareto最优解集中的尺寸参数进行了优选,得到了动静态性能优良的新型六自由度并联机器人尺寸集。

关键词： 冗余机械臂   运动学   碰撞检测   避障路径规划  

摘要： 随着科技的不断进步,智能时代已然到来,凿岩机械臂作为挖掘隧道,矿山开采的主要工程机械,对其进行智能化开发具有重要意义。因此,本文针对某型号凿岩机械臂进行研究,主要的工作内容如下:首先,对某特殊类型凿岩机械臂的基本结构做了分析,建立运动学模型分析了其运动学正解;由于机械臂存在冗余关节,根据不同的工况建立约束条件,分别利用反变换法和牛顿迭代法求解逆解;对2-UPS+U并联机构的相互耦合关系进行了研究,提出一种逆解方法;对机械臂坐标系和全站仪坐标系之间的位姿转换关系进行了分析。其次,阐述了凿岩机械臂碰撞检测的方法。将机械臂的碰撞类型分为机械臂与环境的碰撞和机械臂的自身碰撞,对机械臂关节利用包围盒包络法构建碰撞模型,对于自身碰撞的检测分为快速检测阶段和精确检测阶段,保证了机械臂的碰撞检测的实时性与精准性。然后,提出了机械臂基于碰撞检测下的路径规划的一般方法。采用五次多项式插值法对机械臂的运动进行控制,保证机械臂运动的稳定性。提出了安全区的概念,对于在安全区域内的孔位点,使机械臂沿着固定的非碰撞轨迹运动;对于在安全区域外的孔位点,提出一种改进的v-BI-RRT算法,结合碰撞检测算法规划一条非碰撞路径,并对生成的路径进行了路径平滑处理。最后,建立了凿岩机械臂的虚拟样机,通过仿真验证了运动学算法和轨迹规划算法的正确性;搭建了凿岩机械臂实验平台,将上述算法写入控制系统,验证算法的正确性。

关键词： 两自由度直驱感应电机   对半式定子结构   不对称性   法向力   振动特性  

摘要： 两自由度直驱感应电机(Two-Degree-of-Freedom Direct Drive Induction Motor,2DoFDDIM)具有对半式定子结构，可以独立实现控制直线、旋转运动。由于它无需采用中间传动机械，这大幅度缩减电机的体积维护成本,同时明显提升工作效率。因此，在快速发展的高科技复杂动力系统中备受关注。然而2DoFDDIM对半式定子结构的不对称性会使电机产生较大的法向力，而法向力的存在会导致电机产生振动，进而降低了电机运行的稳定性。因此，对2DoFDDIM的法向力与振动的研究对于稳定性以及延长其使用寿命具有非常重要的意义。　　论文研究内容主要包括以下几个方面:　　(1)分析2DoFDDIM的结构特点及其电磁特性。首先介绍2DoFDDIM拓扑结构。然后根据给出的结构参数搭建3D有限元模型。最后分析2DoFDDIM的转矩(推力)、法向力、切向力等电磁特性。主要通过快速傅里叶分解的方法，对法向力波的频域分布、谐波阶次及各次谐波幅值进行相关分析，为文章的后续工作奠定基础。　　(2)搭建考虑耦合效应的法向力解析模型。首先根据2DoFDDIM的3D有限元模型分析耦合效应对法向力的影响。然后结合实心动子的材料，采用多层理论法建立2DoFDDIM的法向力解析模型。并通过耦合系数衡量耦合效应对法向力的影响程度。最后将解析结果和仿真结果对比，验证所搭建的法向力解析模型的准确性。　　(3)分析2DoFDDIM 的结构模态。通过 Workbench软件搭建2DoFDDIM的3D有限元模型，对2DoFDDIM中包括定子、绕组、机壳在内的结构部件进行模态分析，得到其固有频率与振型。　　(4)分析2DoFDDIM的电磁振动特性。首先根据磁固弱耦合分析方法完成2DoFDDIM电磁振动模型的搭建，并分析电机定子齿在法向力的作用下,电机发生胁迫电磁振动的特性，为进一步研究2DoFDDIM 振动抑制方法奠定坚实基础。　　(5)实验验证。搭建用于测试2DoFDDIM模态频率和振动的实验平台,通过实验验证仿真模型的正确性。

关键词： 风电叶片   疲劳测试   双自由度   新型激振装置   解耦控制算法  

摘要： 风电叶片疲劳测试是叶片生产工艺的一个重要步骤,为提高疲劳测试的有效性,减短测试周期,降低测试成本,本文提出了一种基于新型惯性式激振装置的风电双自由度疲劳加载测试方案。在此基础上,对风电叶片双自由度疲劳加载测试进行特性分析,提出基于线性自抗扰的对角矩阵解耦控制方法,为风电叶片双自由度加载测试工程应用提供理论依据和参考。本文主要研究内容如下:(1)通过研究新型惯性式激振装置的运动规律,得到新型激振装置中质量块的运动规律,对质量块的运动公式进行多次求导得出新型激振装置所产生的激振力的公式,对其激振力进行仿真试验,结果表明R与L的比值不会影响装置的加载效果。利用Lagrange方程建立了风电叶片双自由度疲劳测试系统动力学数学模型,通过MATLAB/Simulink搭建出风电叶片双自由度疲劳测试系统仿真模型并进行仿真试验。仿真试验结果表明,风电叶片双自由度疲劳测试系统是一个复杂的多变量耦合系统,叶片加载时的扭摆角度和激振装置的安装位置都会对系统的耦合状态造成影响。(2)针对风电叶片双自由度疲劳加载测试过程中出现的耦合问题,本文设计了基于线性自抗扰的对角矩阵解耦控制算法,通过将系统的动力学模型分别转换成二阶系统通用表达式和状态空间表达式,得出观测器方程和对角解耦矩阵,观测器方程和对角解耦矩阵共同构成解耦控制算法。对此算法进行建模并结合系统动力学耦合模型进行仿真试验,仿真结果显示,线性自抗扰对角矩阵解耦算法最大误差率为1.53%,表明此算法具有良好的跟踪性,抗干扰性和鲁棒性。(3)利用采集仪对小型风电叶片的参数进行测量,并由此计算出激振装置参数,在此基础上利用Solidworks对装置进行三维建模,将模型导入ANSYS/Workbench中,分别对圆盘和连杆进行静力学分析,再对激振装置整体进行静力学分析、模态分析以及疲劳分析。仿真结果显示,新型惯性式激振装置的最大形变和最大应力均在范围内,疲劳寿命和安全系数均满足设计要求,激振装置一阶共振频率远大于小型风电叶片一阶固有频率,不会产生激振装置本体共振,验证激振装置设计符合要求且能够满足试验条件。(4)针对双自由度疲劳加载测试系统进行硬件选型以及电气设计,在保证硬件性能满足测试要求的条件下同时拥有较好的性价比,在Visio studio环境下开发上位机软件,用于数据采集和传输、监测和控制系统状态。搭建出风电叶片双自由度疲劳测试试验平台并进行试验。结果显示,在测试过程中叶片在挥舞和摆振两个方向上的振幅稳态值和运动规律均可达到设定值,验证了新型激振装置的可行性和解耦控制算法的有效性。

关键词： 数字孪生   液压并联机构   六自由度   状态监测  

摘要： 液压六自由度并联机构以其高精度的运动控制能力、高强度、高稳定性等优点,在制造行业、医疗行业、运动模拟等众多领域都有广泛的应用。但由于液压六自由度并联机构运行时具有较强的耦合性与非线性,会受到各种因素干扰,这就要求对其运行姿态进行高精度的实时状态监测,而传统二维表单、视频监测等监测方式在数据传输展示、实时可视化等方面不能很好满足液压六自由度并联机构状态监测要求。数字孪生作为物理现实与数字信息融合的有效方法,以其高保真、多尺度的孪生模型和设备全生命周期的数据管理等特点,成为了新一代信息技术的研究要点。本文针对传统监测方式实时性差、可视化不足、数据透明度低等问题,采用数字孪生技术对液压六自由度并联机构状态监测进行研究,建立机构孪生模型,创建数据实时驱动架构,最终设计实现了数字孪生监测系统,在一定程度上实现了对液压六自由度并联机构运行状态与参数的全视角监测。具体研究内容如下:首先,对液压六自由度并联机构进行机构分析,对其结构组成以及空间自由度进行了研究。对机构进行运动学分析,根据刚体在空间中的位姿描述以及齐次变换矩阵完成机构运动学位置反解方程的推导,为后续研究奠定了理论基础。其次,利用三维设计软件Solid Works、模型处理软件Pi XYZStudio、开发引擎Unity3D共同完成液压六自由度并联机构孪生虚拟模型的建立。通过对模型进行材质渲染、网格合并、轻量化处理等操作,从而提升模型的加载运行效率以及模型的可视化效果。在Unity3D中对虚拟场景进行搭建,并为模型添加刚体约束,使其遵循真实世界的运行规律。再次,建立液压六自由度并联机构的信息模型,确定需要采集的机构运行数据,并通过OPC通信协议进行数据的采集。创建基于数据层-逻辑层-表现层的数据实时驱动架构,通过实时数据驱动技术实现机构从物理世界到虚拟模型的映射,完成机构远程三维可视化监测。最后,根据上述研究,基于Unity3D的用户界面组件UGUI完成液压六自由度并联机构数字孪生监测系统的设计与开发。对系统总体功能框架进行设计,包括OPC数据通信、可视化监测以及系统交互三大功能模块,并对模块中的具体功能进行设计与实现。

关键词： 容错控制   深度强化学习   路径规划   机械臂控制  

摘要： 随着核工业的快速发展,以机械臂为代表的自动化装备被广泛应用于涉核场景中的应急作业、退役处理、运行维护等作业流程中。由于强电离辐射对机电系统的辐射损伤效应,机械臂在电离辐射环境长时间运行的可靠性受到挑战。此外,考虑到机械臂的关节结构复杂,部件种类繁多,任何一个部件的故障都可能导致整体系统失效。受限于危险的辐射环境,关节失效通常无法立即修复,为保证关节发生故障后仍能完成操作任务,有必要进行机械臂的关节故障容错处理。本文以提升核环境下机械臂的容错能力为目标,重点研究多自由度故障机械臂避障路径规划、路径跟随的问题。具体内容如下:(1)针对核环境的特殊性,通过辐射损伤实验分析机械臂故障发生原因及表现,分析本文容错控制面临的问题;选取UR5六自由度机械臂作为研究对象,改进传统蒙特卡洛法,快速精准生成故障机械臂的容错工作空间。(2)针对A-Star(A)算法规划速度慢、靠近障碍物、无法考虑机械臂的运动性能等局限性,提出了基于机械臂可操作度的改进A算法。通过对障碍物及UR5机械臂进行简化建模处理,提升碰撞检测速度;通过扩展碰撞距离,提高算法运行效率并减少路径成本;通过改进A算法的启发函数,同时考虑机械臂可操作度对运动性能的影响,结合分段贝塞尔曲线,提高路径的平滑度,进而生成理想避障路径。最后,通过仿真实验验证了算法的有效性。(3)针对使用深度强化学习(Deep Reinforcement Learning DRL)训练多自由度机械臂故障后的轨迹跟随任务,算法训练速度慢,收敛性差的问题。提出了一种结合优先记忆池的改进Soft Actor-Critic(SAC)算法,通过改进训练过程中状态空间、奖励函数的设定和目标点的生成的位置,有效加速算法的收敛。通过训练在不同故障情况下机械臂路径跟随任务,实现在故障信息未知的情况下,机械臂的容错控制。最后Coppeliasim仿真环境及实物实验中验证了所提容错控制算法的有效性。

关键词： 液压机械臂   轨迹规划   动力学分析   PID运动控制   实验分析  

摘要： 工业机器人作为工业现代化发展的标志之一,被广泛应用于各行各业。其能够代替人类完成各种复杂工况下的作业需求,所带来的安全性、可靠性和高效率性越来越被人们所意识到。液压驱动以其功重比大、调速范围大、结构紧凑和灵活性强,被大量应用到工程机械装备中,使得越来越多的科研人员对其进行运动特性和控制特性的深入研究。基于煤矿工作环境的工况需求,本文以液压驱动型六自由度机械臂为研究对象,结合机械臂典型运动轨迹,从运动学、轨迹规划、动力学和控制策略四方面对机械臂展开研究,并搭建实验平台,以验证控制系统优化算法的有效性和轨迹规划的可行性。首先,针对机械臂智能化作业要求,对其运动轨迹进行规划。利用D-H法对机械臂进行正运动学模型的建立,结合正运动学模型并利用蒙特卡罗算法对机械臂工作空间进行分析,为轨迹规划提供可达空间的理论依据;利用代数法求解机械臂运动学反解,结合各关节角度数值表达式,对机械臂典型平面轨迹和空间轨迹进行三次多项式和五次多项式插值策略的轨迹规划研究,考虑机械臂关节间的受力冲击和运动平顺性,采用高阶次多项式插值对机械臂进行轨迹规划。其次,对机械臂进行动力学建模,其对提升机械臂的运动控制精度和平稳性至关重要。本文利用拉格朗日法建立起机械臂的动力学方程,为机械臂的动力学仿真提供理论基础;依托于典型空间曲线的五次多项式轨迹规划,对机械臂进行空载和负载50kg两种状态下的动力学仿真,得到两种状态下的机械臂各关节驱动力距。再次,对机械臂的液压系统进行详细研究,建立阀控缸与阀控液压马达数学模型,通过AMESim对机械臂液压控制系统进行仿真模型搭建,提出基于PID控制算法的控制策略,对机械臂空载和负载情况进行仿真,并分析了控制系统的响应特性。最后,利用机械臂实验平台,对机械臂在空载和负载两种状态下运动控制精度和稳定性进行验证。通过实验研究表明:机械臂空载时最大工作误差在2%之间,负载50kg时最大误差在3%之间,提出的控制策略能够满足机械臂工作时的精度要求。