课程文献中心 更多>>

关键词： 机械臂   轨迹规划   POMDP模型   无损检测  

摘要： 当今巡检机器人机械臂在管廊隧道等复杂环境的作业过程中,经常面临空间狭窄且障碍物密集的问题,这就要求机械臂具备在狭窄空间进行避障路径规划的能力。此外,一些不确定性因素如在突发或异常环境条件下,机械臂的全局状态信息感知困难,这些都会对机械臂避障造成新的影响。对此,本文主要对以下几点展开研究:(1)针对机械臂在狭窄空间的避障问题,本文提出了一种改进的RRT*算法,主要是在原有算法的节点扩展导向机制中引入了贪婪思想,在一定概率下以目标为导向进行节点扩张。与原来算法相比,改进后的算法在无效的扩张上耗时显著减少,随机树的扩张变快,算法收敛时间极大缩减,并且优化过程中加入了随机树搜索自适应策略,能够避免随机树在搜索时陷入局部极小值。(2)针对机械臂路径规划过程中的不确定性因素导致机械臂不能感知环境中的全部信息的问题,本文提出将机械臂在感知不确定情况下的路径规划问题看作一个部分可观测的马尔可夫决策过程(Partially Observable Markov Decision Process,POMDP),在POMDP框架下,本文用高斯分布表示信念,值函数用二次函数表示,用卡尔曼滤波描述信念动力学信念的动态更新,用线性二次高斯方法对信念空间变量进行值迭代求解得到最优值函数,进而得到最优轨迹的线性控制策略,最终得到局部最优路径。并且在Matlab和ROS机器人操作系统中的Move It!平台上进行了机械臂的运动仿真。(3)针对机械臂对检测目标的识别和定位问题,本文对基于YOLOv4算法的改进措施进行研究,该算法通过对YOLO算法进行网络轻量化,使得改进后的算法在运算时间上显著缩减,有助于提高任务的实时性。(4)本文在软硬件设计的基础上搭建了6自由度机械臂系统,通过ROS机器人操作系统中的Move It!对机械臂模型进行了配置,能够实现机械臂的可视化控制与路径规划仿真。此外,本文进一步基于该机械臂系统开展了面向管廊中管道的无损检测应用的开发,对管道的有害气体泄露和液体泄露等进行检测。

关键词： 六自由度机械臂   轨迹规划   时间最优   改进粒子群算法  

摘要： 随着智能制造的进一步发展,机械臂凭借灵活度高、扩展性强,被大量应用到智能制造领域。轨迹规划作为机械臂运动控制最重要的一环,为了满足高质量的实际生产需求,对机械臂轨迹规划就显得尤为重要,高效的轨迹规划可以使整个机械臂的性能得以提升。本文以UR10六自由度机械臂为研究对象,针对机械臂的轨迹规划问题、时间最优问题以及轨迹规划仿真进行了以下研究:(1)依据机械臂的相关理论知识,构造UR10机械臂的D-H参数表,建立UR10机械臂的模型,通过仿真验证运动学公式的正确性,并对机械臂的工作空间进行研究。(2)在笛卡尔空间和关节空间下,分别研究不同的算法对机械臂运动性能的影响。以本文建立的UR10机械臂模型为基础,在MATALB中进行仿真,分析总结各仿真曲线的特点,重点对各曲线轨迹规划算法进行比较,发现五次均匀B样条曲线轨迹规划算法不管是在平滑连续性方面,还是在抗冲击振动方面都具有更好的效果。(3)为求得机械臂各关节的最优解,根据改进粒子群算法原理,构建速度和时间的适应度函数,采用这两种适应度函数的开关控制,进行时间轨迹优化。借助MATLAB进行仿真,得到时间优化后各关节曲线图和改进前后算法的时间优化数据。(4)在V-REP中搭建UR10六自由度机械臂的仿真平台,通过MATLAB控制V-REP来实现两者的仿真,从而得到理想的曲面轨迹,并通过实验进行机械臂铣削,验证铣削仿真的可行性。

关键词： 推进机构   仿生机器人   仿生设计   运动学   尺度综合   机构设计  

摘要： 仿生推进机构设计是实现机器人水陆两种环境中高效运动的关键技术。与开环推进机构相比,闭环推进机构具备结构简单、惯量小、控制简单的优势。在自然界中,蛙类主要通过后肢实现水中游动以及陆地爬行,该仿生学特性为仿生推进机构的设计提供生物学模板。论文以蛙类后肢为仿生对象,结合空间连杆机构,对新型少自由度水、陆推进机构进行研究,旨在简化机构复杂度的同时保留有效的推进效果。研究包括仿蛙后肢推进机构构型设计、二自由度仿蛙后肢推进机构分析、仿蛙后肢式机构尺度综合以及推进机构功能验证。 (1)仿蛙后肢推进机构构型设计。以蛙类后肢为仿生对象,对蛙式游动以及匍匐爬行过程中后肢功能进行分析简化,分别提出了机构设计的性能指标,即影响游动机构在推进相以及恢复相中产生的推力与阻力对应的性能指标,以及影响爬行机构性能的推进步长、横向位移以及偏转角。结合闭环机构设计,提出具有游动功能的7R-RSCR与7RRSUR两种构型以及具有爬行功能的7R-RSCP与7R-RSUP两种构型。提出的空间机构为二自由度闭环机构,基于旋量理论对整体机构进行自由度分析,明确机构所需的驱动器数量。通过游动推进机构模拟蛙类游动的步态,结合叶元理论建立水下推进力估算模型,分析推进机构输入参数与输出推进力的关系。通过爬行推进机构模拟蛙类匍匐爬行时支撑相动作,构建推进机构爬行步长的计算模型,分析机构输入驱动与输出爬行位移和偏转角的关系。通过水陆两种环境下的功能分析验证二自由度仿蛙后肢空间连杆机构构型设计的合理性。 (2)二自由度仿蛙后肢推进机构分析。二自由度仿蛙后肢推进机构由Watt Ⅰ型平面六杆机构支链与单自由度单环空间连杆支链组成。根据平面六杆机构的几何特性,提出平面六杆机构位置正解的显式模型,在降低计算难度的同时规避通用解法的多解特性。基于提出的显式位置正解模型,推导六杆机构速度、加速度正解显式模型,分析六杆机构的运动特性。基于封闭矢量法建立RSCR、RSUR、RSCP以及RSUP单环空间机构的位置正反解模型、速度模型以及加速度模型,获得单环空间机构的位置、速度与加速度的输入输出特性。在单环空间机构分析中,根据RSCR与RSCP构型的几何特性,构建位置正解显式模型,降低位置正解问题的求解难度。 (3)仿蛙后肢式机构尺度综合。采用刚体导引尺度综合方法对机构参数进行优化设计。基于二自由度仿蛙后肢推进机构位置模型,对Watt Ⅰ型平面六杆机构建立可求解的正定多项式系统,采用同伦法进行数值求解。针对多项式法求解刚体导引尺度综合存在的计算规模大、求解时间长的问题,提出一种新型快速求解方法。构建了优化求解模型,采用内点法对含约束优化模型进行快速求解,获得满足设计目标的尺度参数。在确定平面六杆机构参数的基础上,构建RSCR、RSUR、RSCP以及RSUP单环空间机构参数的小规模求解模型,利用求解多项式的方法获得机构的尺度参数,完成整体机构的优化设计,将其应用于爬行、游动机器人中。 (4)仿蛙式爬行机构和游动机构功能验证。基于3D打印技术进行快速原型制作。基于特定的步态对爬行机构的爬行步长、偏航角性能进行测试,验证机构设计的合理性。测试机构为尺度综合后的优选机构,步态对应的电机输入参数通过建立的运动学模型获取。测试机构的爬行步长达到横向位移的4倍,偏航角减小为3.2°。对于水下游动的推进机构搭建水下环境推进力测试平台,测试水下游动过程推进相中产生的推进力,并将其与滑行相和恢复相中脚蹼上产生的阻力进行对比,测试机构水下推进性能,其水下的峰值推力为恢复阶段的阻力的10倍左右,设计的机构在强化峰值推力的同时最小化推进过程中的阻力。进一步探索仿生机构的简化设计,基于介电高弹聚合物设计软体水下推进机构,与基于闭环空间连杆的推进机构进行对比,分析基于介电高弹聚合物设计软体水下推进机构的应用潜力。

关键词： 高速并联机器人   柔性关节   振动抑制   模糊控制   输入整形技术  

摘要： 具有分拣、搬运、装配功能的高速并联机器人推动着我国各行业自动化生产线的发展。尽管其具有移动速度快、重复定位精度高和运行稳定性强等优点，由于关节处安装的谐波减速器等柔性传动部件，机器人在运动过程中存在明显的关节弹性变形和末端振动，严重影响了其动态定位精度。本课题依托自研的四自由度SCARA运动全并联机器人为研究对象，在建立其刚弹耦合动力学模型的基础上，考虑系统的时变性和非线性，完成对柔性关节力矩前馈模糊控制器的设计，并提出后置输入整形器和自适应算法对高速并联机器人主动抑振策略展开研究。　　首先介绍了该高速并联机器人的构型原理和硬件结构，并对其运动机理展开分析。根据并联机器人运动链的闭环特性，推导其运动学正逆解，通过微分运动学对杆长条件求导，得出机器人的雅克比矩阵、速度和加速度模型。利用双惯量理论建立高速并联机器人的柔性关节模型，并结合虚功原理、达朗贝尔原理推导高速并联机器人的刚弹耦合动力学方程。利用七次多项式对典型轨迹进行规划，通过Matlab/Simulink仿真分析其振动特性，便于后续的柔性关节模糊控制和自适应输入整形器设计。　　其次，在柔性关节并联机械臂位置控制方面，研究了基于力矩前馈的模糊控制策略。采用闭环模糊控制的方法，对柔性控制系统输出增益进行动态补偿，以消除并联机器人刚弹耦合动力学建模误差对轨迹跟踪控制的影响。引入改进樽海鞘群算法对模糊控制参数进行数值整定，智能优化其模糊论域，实现控制器参数的全局最优调节，最终通过对比该方法与经典控制器的仿真结果得出，本文所提出的关节闭环模糊控制策略能够减小关节角度转角误差，提高收敛速度并具有较好的鲁棒性能。　　在高速并联机器人振动抑制方面，采用直接自适应方法对柔性关节系统后置任意时滞输入整形器进行设计，从而避免了对系统固有频率和阻尼比等参数的复杂辨识过程。基于递推最小二乘法推导出整形器参数的自适应更新算法，同时通过引入遗忘因子，提高后置整形器在环境噪声中的残余振动响应跟踪性能，以适应系统在运动过程中模态参数变化带来的不确定性。通过仿真表明，该方法能够较好适应机器人运动时动态参数随位形的变化，实现机器人在整个工作空间内的残留振动抑制。　　最终通过搭建四自由度高速并联机器人的振动抑制实验平台，对本文所提出的柔性关节自适应整形策略进行实验验证。实验证明该算法能够适应机器人系统参数变化，实现柔性关节振动抑制，提高了其工作时的动态位置精度。

关键词： 遥操纵   冗余自由度   双向伺服   运动映射   速度-位置混合控制  

摘要： 在对非结构环境下工作的遥操纵机器人操作时,由于任务空间的不可预知障碍、关节运动极限和奇异位形等问题,常使操作任务难于实现。因此,从动侧多采用关节空间维数大于任务空间维数的冗余自由度机器人方案。将冗余自由度机器人作为从动侧机器人,对主-从异构型遥操纵冗余自由度机器人系统的控制策略进行研究,以适应更加复杂的工况和提高工作效率。具体研究内容如下:首先针对主动侧手柄与从动侧冗余自由度机器人在结构、自由度等方面差异较大导致的运动映射问题,提出关节空间至工作空间的映射方法。以避障为优化指标,分别采用改进的梯度投影法与臂型角参数解析法求解冗余自由度机器人的速度逆解和位置逆解。建立主动侧关节空间角度与从动侧工作空间变量(速度、位置)的线性对应关系,利用上述逆解方法确定机器人各关节期望位置,从而实现关节空间至工作空间的运动映射。其次,提出一种速度-位置混合控制方法,提高作业效率。通过分析位置控制与速度控制的特点,确定两种控制方法适用的阶段。根据从动侧与作业目标之间的距离构造连续的加权函数,以改变两种控制方法所占的比重,从而实现速度控制与位置控制两种控制模式的过渡与转换。最后,通过试验分析,该控制策略主从动侧力跟随效果良好。与单一的位置控制相比,在保证交互过程中的位置精度控制的前提下,操作时间减少了21.46%,验证了新型控制策略的有效性。

关键词： 并联机构   驾驶模拟器   变搜索原点   多目标优化   模糊PID  

摘要： 运动模拟器被广泛应用于飞行、船舶、驾驶等领域。因并联机构具有高负载、稳定性能好、控制精度高等特点,故能够满足运动模拟器的功能需求。本文依托于某运动驾驶模拟器设计项目,依据技术参数和并联机构的性能指标、控制策略,设计出一种用于娱乐、军事等方面的三自由度并联驾驶模拟器。主要研究如下:基于运动学正、反解理论构建了并联驾驶模拟器的数学模型,并使用变搜索原点牛顿欧拉法对其进行求解,结果表明该方法提高了正解的计算速度,该结果同时得到了ADAMS软件的验证。使用粒子群优化算法,以动平台半径和中位杆长为设计变量,以最大全局条件数、最优工作空间与最小伴随误差为优化目标,进行结构优化,从而得到最佳设计参数。通过对优化后的参数进行验证,确保了优化方法的可行性和有效性;对优化后的模型进行静力学与动力学仿真,结果显示整体结构与关键零件符合设计要求。同时对仿真结果进行分析,得出了驱动电机的重要参数,从而确定了驱动元件的型号。依据功能需求进行了电气元件选型,并完成电气接线图的绘制,通过现场接线与调试,完成了驾驶模拟器的实验样机和控制系统搭建。通过建立驱动支链的控制仿真模型,使用模糊PID控制策略对3-RPS并联机构进行控制仿真,验证了控制策略的可行性。本研究依据实验要求进行单轴移动、复合转动的运动实验。实验数据表明设计出的驾驶模拟器具有运动稳定、结构紧凑、控制精度高等优点,并验证了机械结构与控制算法的可行性,对三自由度驾驶模拟器的设计与优化具有一定的参考价值。

关键词： 六自由度误差   误差分离   位置触发采集   采集系统  

摘要： 直线轴作为机床最为重要的功能部件之一,其工作精度对被加工件的表面质量起着决定性的作用。其中,直线轴六自由度误差是评估直线轴工作精度的重要技术指标,精确测量直线轴六自由度误差对直线轴评价和机床精度提升具有重大意义。然而,随着航空航天、国防军事等领域对直线轴精度要求的日益苛刻,对超精密直线轴六自由度误差的测量也提出了更高要求。目前,对于超精密直线轴六自由度误差的测量往往是分步进行的,需要使用多种仪器设备;多自由度误差同时测量的方法也多集中于光学测量系统,这些方法通常光学元器件众多、对环境要求高,实际工况下的效果不理想,大大降低了测量效率和增加了调试的时间成本;各项误差之间缺乏一定的对应关系,对于机床的误差补偿与精度提升的指导作用不足;且传统的基于时间触发采集的测量方式中往往还存在定位不准确的问题,这对于超精密直线轴六自由度误差评估有着一定的影响。为了解决上述的问题,本文提出了基于线性编码器位置触发采集的超精密直线轴六自由度误差测量系统,并进行了以下的工作:(1)提出了一种以线性编码器、标准尺与电容位移传感器为基础,多探头扫描法为核心的超精密直线轴六自由度误差测量方法。指出了基于标准尺与非接触式电容位移传感器的测量方法中由于标准尺制造精度受限而存在的误差耦合问题,建立了误差分离模型,并通过MATLAB仿真分析研究了各种影响因素对误差分离算法精度的影响规律。还指出了基于时间触发采集所引起的采集过程中定位不准确的问题,分析了该问题对于误差分离算法精度的影响。(2)研制了一套针对于超精密液体静压导轨的六自由度误差测量装置。开展了各个部分的结构设计、元器件选型、安装调试等一系列工作,该测量装置能够对直线轴的六自由度误差进行同步动态测量。为了解决基于时间触发采集模式所引起的采集过程中定位不准确的问题以及更好地得到各个误差与位置之间的关系,提出了基于位置触发的超精密直线轴六自由度误差测量方案,该测量方案主要由高精度线性编码器配合多个非接触式电容位移传感器进行实现,在该方案的基础上完成了对数据采集单元的设计和硬件一体化集成。(3)开发了一套适用于该测量系统硬件的数据采集及处理软件。该软件是基于Lab VIEW框架开发,可实现连续采集、基于位置触发采集的数据采集和数据处理与分析等多种功能;数据处理与分析功能是通过调用MATLAB实现,其主要目的是完成六自由度误差的评定,通过对采集到的信息进行计算、处理、分析,包括误差分离、去线性等操作,通过该套软件可得到超精密液体静压导轨的六自由度误差的最终评定结果。(4)开展了超精密液体静压导轨六自由度误差测量系统应用测试。针对于超精密液体静压导轨测试台开展了测量系统稳定性测试、测量系统应用测试、并分别使用所研制的测量系统和激光干涉仪等仪器进行了对比实验,验证了该测量系统的可行性;还进行了测量系统重复性实验,验证了该测量系统的稳定性和重复性;最后指出了该系统的不足之处和改进方向。

关键词： 电火花加工   加工工艺   深长孔   电磁驱动器  

摘要： 制造业在国家发展中占据不可替代的地位,在加工制造方面,电火花加工在某些场所具有独特优势,但加工效率较低,阻碍了电火花加工技术的发展。因此,在保持其加工优势的前提下,采用多自由度磁力驱动器与传统电火花机床组合加工,研究分析加工过程中电参数对加工的影响规律,优化电火花深长孔加工工艺,通过组合加工方式改善电火花加工效率与加工质量。首先阐述本课题的研究背景、意义及目的,分别对电火花加工技术、深长孔加工技术、磁力驱动器等国内外发展现状进行研究。对电火花深长孔加工的原理进行具体分析,分析电火花加工的四个工作过程,理解其工作原理。通过理论研究,分析主要电参数与单脉冲关系,进而研究电参数对加工速度,电极的损耗,加工质量之间的关系。然后进行单脉冲放电仿真实验,使用仿真软件研究电极表面温度场随时间变化的规律,得出电极表面温度场与时间的云图,绘制热源加载与撤离时电极表面温度场与时间变化曲线图。同时进行单因素的仿真实验,研究峰值电流、脉冲宽度与电极表面温度分布的关系,分析电极表面热场与加工的关系。搭建基于多自由度磁力驱动器的电火花加工实验系统。通过模型与实物介绍电磁驱动器结构组成,分析其工作原理。通过仿真软件研究电磁力与电流的关系,设计径向力与轴向力微动平台,进行仿真与实验的对比分析,验证磁力驱动器电磁力的性能。根据对比分析结果可知驱动器性能稳定,满足加工需求。根据实验控制系统原理,搭建实验加工系统。最后采用单因素与正交实验,研究电火花深长孔加工与电参数的规律,分析电火花深长孔加工工艺。通过与传统电火花加工实验对比,分析加工过程中工具电极表面的形貌变化,加工深度与时间关系,零件加工区域微观形貌。发现基于磁力驱动器辅助电火花加工方法,提高了加工速度,加工效率方面最高提高了约10%,减少了电极损耗,改善了工件加工质量,探索了一条深长孔加工新工艺、新方法。