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关键词： 水泥装车机   落包装置   结构设计   运动学分析   动力学分析  

摘要： 水泥是重要的基建原材料,对于国家各项基础设施建设都有极其重要的作用。如今水泥生产需求不断提高,传统的人工装车方式已经无法满足袋装水泥包装车需求。为了适应国家推进制造业产业升级的趋势,提升制造业的智能化和绿色化,提升水泥装车效率,研发水泥自动装车机成为必然趋势。自动装车机最主要的技术指标是装车速度,本文提出了一种单车(AGV小车,即四自由度落包装置)双包型自动装车机总体设计方案,单车使自动装车机整体结构简洁化,双包码包方案提高了装车速度。另外鉴于国内运输车辆型号繁杂、袋装水泥包的外形尺寸多样化等复杂的装车环境,为保证任意规格袋装水泥包外形尺寸与任意车型之间的高度适应性装车需求,本文提出了“叠包填空式”码包方案,解决了高度适应性装车码包问题。根据“单车双包”总体设计方案和“叠包填空式”码包装车方案两个关键性技术的创新设计思想,论文重点设计了自动装车机中实现这两个创新设计思想的核心装置—四自由度落包装置,采用模块化设计方法完成了四自由度落包装置的全部结构设计,并对其关键模块进一步开展了运动学和动力学理论分析以及仿真优化分析。首先,开展了袋装水泥自动装车机总体方案设计,鉴于国内袋装水泥装车环境的复杂性,为保证高速装车速度和任意水泥包与任意车厢空间之间密集码包的适应性,提出了“单车双包”整体结构模式和“叠包填空式”码包装车两个创新设计方案,即采用一个四自由度AGV小车(四自由度落包装置),每次运送两包水泥码放到车厢内,每次码放两包使AGV小车往返循环周期加长,机构设计运行指标和难度均降低到可行区间。每次只码放两包水泥,在相邻两次码包时容易实现叠包模式码包,两包水泥体积相对于车厢空间而言仍然很小,对于叠包后产生的凹坑部位易于采用填空式码包填平。此创新设计方案解决了目前主流采用多码包机构协同操作提高装车速度的复杂系统问题,解决了国内繁杂的车型尺寸高度密集码包装车适应性问题,使自动装车机产品化设计成为可能。其次,针对总体方案提出的设计思想,完成了实现其功能的核心装置—四自由度落包装置的总体设计。四自由度落包装置由沿车厢宽度方向进行落包定位的横向定位移动机构、落包高度调节的升降移动机构、转换纵包和横包姿态码包的旋转±90°机构和最终把AGV小车内的2包水泥放入车厢的落包操纵机构等四个主要功能模块组成。采用模块化设计方法,各功能模块分别具有独立的单一自由度,便于单独调试、升级与维护。采用平面连杆机构中死点技术设计承受强烈冲击载荷的落包操纵机构,保证了机构的可靠性。把旋转90度机构整体嵌入升降移动机构的垂直导柱内部,使整个机构紧凑,AGV小车外形尺寸最小。论文完成了四自由度落包装置全部设计工作。然后,对四自由度落包装置中最重要的落包定位移动机构进行了运动学和动力学分析研究。分析了落包定位移动机构的工况,分析了落包定位阶段以及落包返回阶段的运动过程,计算了机构在运动过程中的重心变化情况,对于承受主要载荷的钢梁进行弯矩和剪力计算,分析了危险截面以及变形情况。对进包前的静态结构进行了刚度和强度的验证。考虑到水泥包碰撞的非线性以及落包定位移动机构的模型大,分别采用完全法和模态叠加法,对水泥包冲击过程和落包移动机构受到冲击的过程进行分析,简化模型的同时减小了计算难度。通过Ansys做有限元仿真,对应力、变形、振动情况进行数值求解,验证了初始设计的合理性,并且提出进一步优化措施。并且通过功率谱密度分析方法,模拟了机构受到随机振动时的疲劳寿命情况。最后,对承受强烈冲击载荷的落包操纵机构进行了可靠性研究,对进包和落包过程进行运动学和动力学分析,进行了相关的结构优化设计。通过分析落包板的运动和受力情况,建立水泥包下落的运动学模型,验证了实际落包时间小于运行时序设计落包时间,保证了装车速度。对落包板回收过程进行了轨迹规划,确定其运动学模型,通过运动学逆解求得活塞杆运动模型,联合动力学分析确定气缸拉力,验证了运动轨迹的可行性。采用接触约束法,分析水泥包与落包板的接触碰撞过程,解决柔性水泥包碰撞的非线性问题。使用ANSYS/LS-DYNA,模拟仿真了落包板承受冲击载荷时的应力变化情况。为了探究落包板的结构参数与局部应力、质量之间的不明确关系,使用响应面设计方法建立相关的函数关系,将隐式关系转化为显式模型。为了实现强度、质量同时优化,避免优化时目标的相互制约,并且获取多个最优结构参数,利用多目标算法求得最优解,实现了落包板的结构优化。

关键词： 两自由度电液振动台   波形复现   广义阻抗   拟牛顿优化理论   自适应变步长  

摘要： 电液振动台广泛用于大型结构件的振动环境模拟试验,测试设备的安全可靠性。波形复现试验作为振动试验的重要部分,可通过电液振动台系统复现各种类型的信号波形对目标试件测试。在传统波形复现控制算法中,系统频响函数固定不变,而实际多自由度振动台控制系统频率特性具有耦合时变性,极大影响波形复现的精度。为了进一步提高随机波形复现精度,本文主要基于拟牛顿优化理论,对两自由度电液振动台波形复现控制策略进行深入研究。本文研究核心内容概述为以下几点:(1)根据传统波形复现算法迭代原理,详细分析迭代步长对系统收敛速度的影响关系,并初步确定最优迭代步长的取值范围。以误差谱二范数最小为优化目标,定义波形复现优化问题的目标函数,计算得到最优迭代步长公式,提出一种迭代步长变化的自适应变步长控制算法。仿真结果表明,该算法不受系统耦合时变影响,保证了系统迭代过程的收敛性。(2)针对实际电液振动台频率特性实时变化的问题,提出基于拟牛顿优化理论的波形复现控制策略。根据复频域优化理论得到复数域驱动谱迭代公式,同时引入PSB拟牛顿算法更新系统广义阻抗矩阵。结合自适应变步长算法,进一步提出PSB自适应变步长算法对广义阻抗矩阵实时更新。仿真结果表明,基于PSB自适应变步长算法的波形复现控制策略具有很好的迭代稳定性,有助于提高系统随机波形复现精度。(3)为进一步减小复频域随机波形复现算法的运算量,提高控制系统的实时性,提出基于共轭梯度算法的波形复现控制策略。基于复频域最速下降方向的定义,结合共轭方向的运算特征并引入FR共轭参数,得到FR共轭梯度算法的驱动谱迭代公式。通过运行振动台实时控制系统,结果表明,基于FR共轭梯度算法的波形复现控制策略计算量小,算法的实时控制性能较好,可以进一步应用到多自由度耦合的复杂控制系统。(4)通过试验室的两自由度电液振动台试验系统,设计时域随机波形复现试验。分别基于伺服控制算法、DFP定步长算法、PSB自适应变步长算法,搭建实时控制系统随机波形复现试验模型。试验结果表明,与DFP定步长算法相比,PSB自适应变步长算法可以进一步提高随机波形复现精度。

关键词： 刚度优化   关节变形补偿   机器人钻孔   关节刚度  

摘要： 工业机器人不仅可以在恶劣工作环境下完成精密加工工作,相对于传统机床也可以实现大范围的加工作业。所以,工业机器人加工技术正在汽车及零部件、航空航天、轨道交通、机械加工制造等制造领域广泛应用。但是多自由度串联型工业机器人相比于机床加工,有着自身结构刚度性能低的劣势,导致在机器人钻孔时末端受力变形大,钻孔精度低、质量差等问题。本文重点研究六自由度串联型工业机器人位姿与机器人刚度之间的关系,以FANUC R-2000i C/165F型机器人为研究对象展开了深入研究,具体研究内容如下:首先,根据FANUC R-2000i C/165F型机器人基本参数,运用修正版D-H建模方法构建了机器人运动学模型,推导正逆运动学方程求解方法,并通过MATLAB仿真验证了运动学模型和运动学方程的正确性;根据运动学理论构建了雅可比矩阵,并通过矢量积法和MATLAB机器人工具箱求解方法对其进行了验证。其次,根据关节传动系统建立了关节刚度等效模型,采用模态测量实验方法结合Adams软件测量出机器人的关节刚度。建立了机器人刚度模型,并在此基础上将机器人末端柔度椭球的刚度矩阵最大特征值作为机器人定向刚度评价指标,通过有限元仿真分析验证了其正确性及合理性,并分析了关节角度和关节刚度对其影响,得到机器人二、三关节角度和关节刚度对该指标的影响最大。再次,以机器人刚度性能评价指标作为优化问题数学模型的目标函数,对钻孔位置不变情况下的机器人位姿进行优化,从而达到提升机器人整体刚度的目的,并通过仿真分析验证了本文优化方法的有效性和正确性。分析了末端受力的情况下机器人各关节的变化情况,得出在末端受外部力作用下相应关节受轴向力影响较大;进而建立了关节变形补偿模型,并通过实验验证了该模型是可以提高末端受力下的定位精度以及将末端变形降低。最后,针对CFRP工件表面撕裂,提出了一种钻孔表面撕裂缺陷面积大小的评价方法。搭建了机器人自动钻削实验平台,设计钻削加工参数正交试验,得出优选工艺参数为压脚压力850N、主轴转速3000r/min、进给速度60mm/min。基于优选加工工艺参数进行机器人刚度优化前后钻削实验,分析刚度优化前后钻削轴向力、孔圆度、孔表面撕裂缺陷和孔壁粗糙度的情况,结果表明机器人刚度优化后可有效提高和改善钻孔质量。

关键词： 机器人   液压手腕   动力学模型   模糊PID控制   空间坐标变换  

摘要： 手腕结构是常见工业机器人中不可缺少的一部分，其性能直接决定着机器人执行器的整体工作状况和性能。为了深入理解液压手腕系统设计、建模方案和液压手腕高性能控制算法，本课题从机器人运动学建模、动力学建模、运动学验证、动力学验证、特定工况下轨迹规划和末端高精度机电液联合仿真控制等方面对现有三自由度模型进行深入研究。旨在揭示液压手腕内在特性，探索适用于特定工况下的高精度运动控制算法。　　首先，介绍了液压手腕系统的组成原理和组成框图，明确了系统的各个元件的作用和相互关系。其次，针对液压手腕系统，利用了空间坐标变换理论和机器人建模理论进行了运动学建模。通过这一过程，成功地求解出了机器人的雅可比矩阵和机器人驱动雅可比矩阵，为后续的动力学分析和控制设计提供了基础。随后，依据串联机械臂刚体动力学原理和拉格朗日法，组建了液压手腕的动力学模型。　　然后搭建了手腕的Adams虚拟仿真平台，对第二章中建立的手腕运动学模型、雅克比矩阵进行了验证。为了模拟更贴近真实的情况，建立了特定工况下的Adams手腕模型，并且对空载以及带载20kg情况下的动力学模型进行了验证。　　其次引出了手腕特定环境下的环形工况，为了使手腕末端适应特定环形工况的需要，在已有手腕逆运动学的基础上，解算出满足特定工况需求所对应俯仰、侧摆油缸的位移-时间关系。搭建手腕的机电液Adams-AMESim-Simulink仿真平台，将解算的结果输入Simulink中，观察手腕在0.1Hz、0.5Hz、1Hz下的工作情况，对手腕俯仰、侧摆油缸的误差跟踪情况等结果进行分析。　　最后分析了液压手腕非线性控制器设计的难点，建立了考虑模型不确定形式的系统模型，并采用模糊PID控制算法设计控制器。利用模糊PID的控制方法，提高了手腕在特定工况下的工作精度，运行稳定性，使得手腕在防爆和特殊工况下的末端高精度位姿控制成为可能。这为未来设计高效节能又防爆的特殊工况井下液压机器人的高性能控制器提供了基础。

关键词： 机械臂   张量积模型变换   模糊模型   线性矩阵不等式   平方和规划  

摘要： 本文以ABB公司生产的小型工业机械臂IRB 120为研究对象,采用基于张量积模型变换的控制器设计框架构建闭环控制系统。针对该框架下难以求取多变量、复杂非线性系统的状态反馈增益矩阵的问题,提出了模糊区间论域划分的策略,实现了系统控制输入在不同区间内运动下的平滑切换。进一步,为了充分利用模糊模型构建原始非线性系统的优势,基于机械臂动力学模型的特殊性质,提出了特定于机械臂系统的多项式模糊模型的构建方法。这有效地减少了模糊模型的规则数,同时降低了求解系统稳定问题的计算负载。最后,在机器人动力学仿真软件上搭建了IRB 120控制系统的仿真平台,并通过仿真结果验证了所设计控制器的正确性和有效性。本文的主要工作如下几个方面:·介绍了机械臂的空间位姿表示、运动学和动力学的分析方法,并给出了IRB 120的系统模型参数。通过DH参数法和拉格朗日建模方法分别对IRB120进行了运动学和动力学分析。然后,采用Matlab第三方机器人工具箱Robotic Toolbox对建立的机械臂坐标系统和动力学模型进行了分析验证;·对机械臂状态空间方程执行张量积模型变换,并采用并行分布式补偿的控制方法构建闭环控制系统。针对传统基于张量积模型变换的控制器设计框架下难以求解多变量系统可行解的问题,提出了模糊区间论域划分的策略,降低了各子区间内系统模型的非线性复杂度从而将整体系统控制器设计问题简化为在各子区间内求解反馈增益矩阵的可行解问题。进一步地,为了保证系统控制输入在任意时刻下的连续性,采用模糊推理的方法加权组合了各子区间下的控制输入,有效消除了系统控制输入的跳变现象;·为了充分利用模糊模型构建原始非线性系统的优势,根据机械臂动力学模型的特殊性质,提出特定于机械臂系统的多项式模糊模型的构建方法。分析比较了IRB 120模糊模型与多项式模糊模型在模型近似精度,求解系统反馈增益矩阵的计算负载以及两者之间的制约关系。结果表明了多项式模糊模型减少了变参数向量的维度,降低了张量积模型变换后的模糊规则数,同时大幅度减少了求解系统稳定问题的计算负载;·基于Simulink Simscape构建IRB 120机械臂三维仿真场景,验证所设计模糊控制器的有效性。同时,为了方便后续机械臂实际应用的扩展开发,基于机器人动力学仿真软件Coppelia Sim,通过Zero MQ远程API通信的方式,搭建Matlab与Coppelia Sim的联合仿真平台,以更加直观的方式分析、验证机械臂关节角度变化以及末端执行器的运动轨迹。

关键词： 移动机械臂   轨迹跟踪   识别与三维定位   采摘序列  

摘要： 目前,苹果采摘存在许多缺点,例如采摘成本高、效率低、劳动强度大等。为解决这些问题,研究智能、高效的苹果采摘机器人可以有效地减轻劳动强度、降低生产成本并提高生产效率。因此本文针对移动采摘机械臂进行研究,主要包括移动平台的轨迹跟踪,果实的识别和三维定位,采摘序列的规划,具体包含以下几部分内容:(1)精准的轨迹跟踪是移动机械臂进行后续采摘任务的前提,因此研究一种基于长短期记忆网络(LSTM)和准滑动模态的滑模控制(SMC)方法来完成轨迹跟踪控制。首先,给出履带车的运动学模型和动力学模型,并基于动力学模型建立滑模控制系统。然后,设计基于深度学习方法的LSTM网络来对未知干扰项进行控制补偿,降低外部干扰的影响,通过结合LSTM网络和准滑动模态的优势,减弱震颤现象。并给出控制系统的稳定性分析。最后,在不同轨迹上进行MATLAB/Simulink仿真试验,并与现有方法进行了比较,证明了其优越性。(2)为解决多个苹果相邻遮挡时难以识别与定位的问题,研究一种基于AP-K-means聚类和基于条件约束的三点画圆法的识别定位方法。首先对采集的彩色图像和深度图像进行预处理,得到果实轮廓像素点;然后对轮廓像素点采用AP-K-means聚类完成初步划分;之后采用三点画圆法对每一类轮廓像素点求取多个圆心,对这些圆心依据约束条件进行筛选,同时再次采用AP-K-means聚类对筛选后的圆心进行聚类,对每一簇类的圆心求取加和平均值,就拟合得到果实的圆心与轮廓;最后,对图像坐标系下的二维像素坐标,经过坐标转换,求取在机械臂基底坐标系下的三维坐标。以果实识别的正确率和定位结果的均方根误差为指标对该算法进行验证和分析,识别正确率为85.7%,X轴坐标均方误差为0.24cm,Y轴坐标均方误差为0.35cm,Z轴坐标均方误差为0.17cm。(3)当面临多果采摘任务时,为提高采摘效率,研究一种基于模拟退火算法的多目标优化方法。首先以距离和能耗作为优化目标,设计优化函数,并通过熵权法来获取权重,然后采用模拟退火算法求取多果采摘最优规划,最后进行实验验证并与基于距离优化的模拟退火算法,基于能耗优化的模拟退火算法和爬山算法进行比较。实验结果表明,本文算法在采摘距离与能耗上都有一定的优化。本论文从移动平台的轨迹跟踪,果实的识别和三维定位,采摘序列的规划三个方面完成了基于稳定性控制的6自由度苹果采摘机械臂运动路径规划的相关研究与实验,从实验结果来看,达到了预期实验目的。

关键词： 双有源全桥变换器   四自由度调制   效率优化   神经网络辅助控制   自抗扰控制  

摘要： 在全球能源短缺和气候问题日益严重的背景下,可再生能源发电技术持续受到世界各国的广泛关注。在分布式可再生能源发电及其应用领域,双向DC-DC变换器常用于电压适配变换和双向能量流动控制。由于隔离型双有源全桥(DualActive Bridge,DAB)DC-DC变换器具有结构简单、高功率密度、调压范围宽、易于实现软开关等优点,成为双向DC-DC变换器拓扑的研究热点。本文围绕DC-DC变换器效率优化提升问题,对DAB变换器的综合损耗模型、效率优化调制策略以及闭环控制策略进行了深入研究。增加调制自由度可以提高DAB的控制灵活性和工作效率。针对目前三重移相调制的效率优化中采用间接指标且未考虑高频变压器损耗的问题,本文提出一种基于DAB综合损耗模型的直接效率优化策略。基于离散时域分析法分析了三重移相调制下DAB变换器的工作特性,考虑开关器件的寄生电容及死区时间内的换流过程,提出了一种电感电流瞬时值的前推回代计算方法。进一步,考虑高频变压器励磁电感的非线性特性,建立了包含开关器件损耗和高频变压器损耗在内的DAB综合损耗模型,并藉此提出了三重移相加变频的四自由度调制的效率优化策略。分别通过PLECS热仿真和COMSOL有限元仿真验证了所建立损耗模型的准确性。实验结果表明,与传统无损模型相比,基于前推回代法得到的电感电流瞬时值更逼近实际值,且采用四自由度效率优化调制能有效提升DAB的工作效率。DAB的综合损耗模型具有离散化和非线性的特点,当工况变化范围较宽时,四自由度参数变化范围更大,参数寻优时间更长。针对四自由度参数运行约束和效率寻优问题,提出一种采用布谷鸟搜索算法在全工况范围内对DAB四自由度参数进行优化求解的方法,可快速获取变换器工况变量与四自由度调制参数在效率优化下的离散空间映射关系。在此基础上,提出一种基于神经网络的四自由度参数映射实现方法,根据变换器功率和增益实时要求直接给出最优的四自由度调制参数,解决了工况连续变化时离散查表法存在的存储容量与控制精度的矛盾。针对DAB变换器的闭环控制,提出了一种将传统PI调节器与基于神经网络映射的四自由度效率优化调制相结合的控制策略,实现了效率优化条件下的恒电压或恒功率控制。此外,为提高DAB控制的控制性能,将自抗扰控制引入到四自由度调制下DAB的控制环路中,并提出了通过虚拟电流实现自抗扰控制器参数自适应调节的改进自抗扰控制策略。进一步,提出了基于Parteo多目标优化的改进自抗扰控制器参数优化设计方法。仿真结果表明,该改进控制器有效解决了 PI控制中系统动态性能和稳态性能之间的矛盾,不仅提高了输出电压对指令的跟踪性能,而且有效降低了稳态时高频链中的电感电流峰值脉动。建立了四自由度效率优化控制下隔离双有源全桥DC-DC变换器的实验样机,开展了不同工况下效率优化和控制性能实验。实验结果表明,采用改进自抗扰控制、神经网络映射和四自由度调制下的DAB变换器具有相对较高的运行效率和优良的动静态性能。

关键词： 串并混联机构   末端约束   几何法   二次型曲面  

摘要： 串并混联机构具有工作空间大、刚度性能强、末端灵活性好等优势，在许多领域都有着巨大的应用潜质。其中，末端平台的约束/自由度性质作为机构学中的一个基础性问题，对于少自由度串并混联机构的运动学研究及其应用有着重要意义。本课题基于末端约束螺旋的分析方法，解决了一类 3+2 型少自由度串并混联机构的约束/自由度问题，为后续研究提供了相关理论基础。　　本文首先介绍了螺旋系的转换定理和阶数定律，基于此分析了双层式串并混联机构末端约束/自由度的组成原理，并给出了相应的自由度计算公式。　　其次，文章先后研究了(3-PRS)+(2-RPS+SR)、(3-RPS)+(2-RCR)和(UPR+UPU+UPS)+(UPR+RPU)三种3+2型的少自由度串并混联机构，分析了其在不同位型下末端平台的自由度数目，并应用几何法解决了末端约束\运动螺旋的性质，进一步拓展了几何法在解析几何空间下求解两个螺旋系交集时的应用范围。本文为了验证此方法的正确性，分别针对三个混联机构给出了两种不同位型下的数值算例，分析了两个子约束螺旋系所对应的二次型曲面和直线簇方程，并得到了混联机构正确的末端约束螺旋。此外，为了体现出几何法表达形式直观的优势，本文还给出了应用Matlab 绘制的空间二次型曲面。综上所述，本次工作完善了双层少自由度混联机构的相关理论，拓展了分析此类机构末端约束的几何分析方法。　　最后，搭建了(UPR+UPU+UPS)+(UPR+RPU)双层混联样机，通过SolidWorks和控制系统对样机进行了调试与应用场景实验。