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关键词： 波浪能   点吸收浮子   多自由度   粘性修正   水动力分析  

摘要： 随着经济的增长,社会对能源的依赖度越来越高,太阳能和风能为主的可再生能源利用技术得到了巨大的发展,相比于风能和太阳能,波浪能资源具有更大的能量密度,并且分布更广。在以往对波浪能装置(Wave Energy Converter,WEC)的研究中,往往基于势流理论,忽略了流体的粘性效应,而粘性产生的涡流会扰乱WEC周围的流场质点分布,改变其共振频率,在工程应用中,未考虑粘性会过度预测WEC的动态响应,从而削弱WEC的能量转换效率,因此本文针对垂荡点吸收波浪能装置做了如下工作:使用计算流体力学方法,在Star CCM+软件中对波浪水槽进行了瞬态三维动力学模拟,通过自由衰减法对漂浮浮子进行粘性修正,对比实验数据验证了方法的可靠性,分析附加质量、辐射阻尼、高径比和锥角对漂浮浮子粘性的影响。发现阻尼对漂浮浮子粘性的影响更大,随着高径比的增加,粘性对浮子的影响逐渐减弱,而锥角的增大,则会导致粘性对其运动的抑制效果更加明显。通过线性化粘性阻尼的方式,计算不同形状淹没浮子在高速振荡下的粘性阻力系数,并提出倒角圆柱淹没浮子模型,通过涡量场和壁面剪应力分析几何外形对粘性的影响,发现由于浮子壁面形状的改变,附着在浮子表面的涡脱落,圆柱体的粘性阻力系数为1.854,球体为0.276,倒角圆柱体的粘性阻力系数为0.809,相比于圆柱体降低了56.36%。基于势流理论的边界元法,对单体点吸收式波浪能装置的水动力进行了系统的分析,利用ANSYS-AQWA软件,建立垂荡点吸收波浪能装置频域模型,计算了浮子的水动力参数,包括附加质量、辐射阻尼、波浪激励力和运动幅值响应,将不同参数(高径比、吃水深度、锥角系数和最佳PTO阻尼)浮子的水动力进行对比,在粘性修正的基础上,分析不同浮子参数的波浪俘获宽度发现,增加高径比和锥角系数可以增大浮子波浪俘获宽度,吃水深度的增加浮子更容易达到最佳波浪俘获宽度但其峰值更小,当使用最佳PTO阻尼控制后,浮子的俘能更稳定。通过增加点吸收式波浪能装置中淹没体数量,增加系统的自由度,并对浮子无量纲垂直间距进行分析,确保浮子间水动力无相互干扰,对比不同形状和自由度系统的附加质量、辐射阻尼和波浪激励力,在考虑粘性阻尼的基础上,随着WEC系统自由度的增加,淹没体为圆柱体、球体和倒角圆柱的WEC波浪俘获功率分别增加了33%、28.5%和40.2%,系统的共振频率降低了5.5%、5.6%和10.3%,本文提出的倒角圆柱体模型在保留了圆柱体高水动力性能的基础上大大降低了粘性的影响,表现出更好的功率俘获特性。该论文有图76幅,表5个,参考文献63篇

关键词： 重载铸造机器人   结构设计   TRIZ理论   路径规划   轨迹规划  

摘要： 铸造机器人不仅应用于压铸、精铸、铸件搬运和传送,还可用于造型、制芯、下芯、浇注、清理以及检验等工序中,大幅节约劳动力,提高铸造生产效率、制造精度和质量、实现铸造生产机械化、自动化。但现有重载铸造机器人多采用串联机械臂结构,特别是浇注作业机器人,由于生产车间环境相对恶劣,作业负载大,机器人工位固定,生产效率和产品质量均有待提升。针对上述问题,本文设计了一种可以实现自主导航的四自由度重载铸造机器人,在提高了铸造机器人的负载能力的同时,在产品的质量和生产效率方面也有所提升,同时,能够实现浇注作业过程中的无人化生产。首先,基于TRIZ理论创新方法,采用九屏幕法、功能分析法、因果轴分析法等方法对当前铸造机器人系统进行问题分析,运用矛盾矩阵、物-场模型等方法结合创新发明原理以及标准解法进行优化创新设计,对所设计方案进行可行性分析后优选出四自由度重载铸造机器人的两种整体设计方案。针对铸造生产中的高负载需求,对两种方案关键零部件进行强度分析,最终确定出最优方案。为实现四自由度重载铸造机器人完成自主浇注作业,对机器人进行路径规划。针对传统A*算法存在的不足,基于优化节点选取和限制距离的方法对传统A*算法进行改进,改进后的算法解决了传统A*算法中存在大量冗余节点和路径与障碍物顶点出现接触的问题。对于A*算法无法实现机器人躲避动态障碍物的问题,采用局部路径规划中的动态窗口算法,动态窗口算法在规划过程中采样速度空间存在边界,会出现陷入局部优化而无法到达终点的情况。本文将改进后的A*算法结果中的关键节点作为动态窗口算法中的分段目标点,将两种算法进行融合,融合算法解决了A*算法路径存在大量冗余点、无法避开动态障碍物的问题,同时也解决了动态窗口算法中出现路径局部最优的问题。通过MATLAB平台进行了多组对比仿真实验,分别在简单静态障碍环境、复杂静态障碍环境以及动态障碍环境下分别进行仿真,仿真结果验证了融合算法的有效性,同时也验证了该融合算法应用于重载铸造机器人的可行性。基于移动机器人在ROS系统中进行了路径规划实验,进一步验证了融合算法的可行性。浇注执行机构作为重载铸造机器人的关键部件,其运行轨迹直接影响浇包的运动稳定性及浇注质量。为保证重载铸造机器人浇注作业时,浇包平稳运行,避免产生震动,提高铸件质量,提出一种基于五次多项式与正弦加速度运动规律合成的复合多项式的重载铸造机器人浇注作业过程轨迹规划方法,运用ADAMS对浇包在浇注作业过程中的运动轨迹进行仿真,仿真结果验证了提出的轨迹合成方法的可行性和运动学分析所得理论参数的准确性。图 [41] 表 [8] 参 [76]

关键词： 六自由度机械手   运动学分析   避障路径规划   蚁群算法   轨迹规划   蝴蝶优化算法  

摘要： 在“中国制造2025”提出的“质量为先”基本方针的指示下,我国正处于由扩大数量转向提高质量的关键阶段,机械手也逐步在各个领域得到广泛应用。但在实际应用、核心技术研发等方面,我国与发达国家相比仍有较大差距,因此机械手关键技术的研究日益得到重视。其中,路径规划及时间最优轨迹规划技术作为机械手研究的热点问题,对机械手的运动控制具有重要作用。本文以六自由度机械手IRB120为研究对象,分别对机械手的运动学、避障路径规划、时间最优轨迹规划进行研究。主要研究内容包括:(1)利用传统D-H参数法构建IRB120机械手运动学模型,并在该模型的基础上求解正、逆运动学方程,通过MATLAB机器人工具箱Robotics Toolbox验证了推导出的正、逆运动学方程的正确性,并利用蒙特卡洛法求解机械手的工作空间,为后续路径规划及轨迹规划研究提供理论支撑。(2)分析在机械手路径规划过程中需解决的碰撞检测问题,介绍了几种常用的包络盒法,根据机械手的结构特征采用圆柱体对其连杆进行包络,障碍物则采用长方体包络法,使用转化叠加的方法将连杆的半径叠加到障碍物的包络体上,将碰撞检测问题简化成判断工作空间中线段与长方体是否相交的问题,为接下来的避障路径规划做了铺垫。(3)在避障路径规划方面,针对基本蚁群算法在三维工作空间内路径规划的缺点,提出融合遗传算法等一系列的改进方法,提高了改进蚁群算法的综合性能。使用栅格法构建工作环境模型,通过MATLAB对两种算法进行比较验证,并利用三次B样条曲线对改进蚁群算法的路径进行平滑处理,使规划的路径更为合理。(4)分别在关节空间和笛卡尔空间中采用不同的插补算法进行轨迹规划,并针对三次B样条函数平滑处理后的避障路径提出一种基于蝴蝶优化算法的时间最优3-5-3分段多项式插值的轨迹规划方法来优化插值时间,在速度的约束下,通过该方法进行迭代寻优,利用MATLAB进行仿真实验,结果表明该方法收敛速度快且运行稳定性良好,证明了该方法的可行性、优越性。

关键词： 并联机器人   运动学分析   工作空间   动力学分析   轨迹规划  

摘要： 少自由度并联机器人的优点有承载能力大、高精度、低惯量、无累积误差、速度快等,因而被广泛应用在3C电子、日化用品、轻工和医药等产业流水线中。其中,具有3移动1转动(3T1R)的四自由度并联机器人在工业领域中具有非常广泛的应用潜力。然而绝大多数现有的3T1R并联机器人末端动平台的转动能力有限,通常范围小于±90°。本文结合现阶段已研究的3T1R并联机器人,提出了一种新型3T1R四自由度并联机器人。该并联机器人运动副全为转动副,具备SCARA运动和完全旋转能力。本文对该新型3T1R四自由度并联机器人进行了理论研究与分析,具体的研究内容如下:首先,利用螺旋理论方法对并联机器人支链的运动螺旋系以及各支链对末端执行器的约束螺旋进行了求解,再分析约束螺旋系,最终得到该并联机器人自由度性质和数目。然后,采用闭环矢量法对并联机器人的位置正、逆解进行了分析,得到了位置正、逆解的方程表达式,再对位置方程表达式求导得到了机构雅可比矩阵,基于雅可比矩阵分析了并联机器人的速度、加速度以及奇异性,得到了机器人的速度模型、加速度模型以及奇异位形的类型。其次,对并联机器人的工作空间运用极限边界搜索法进行求解,得到了机器人末端动平台的可达工作空间与灵活工作空间;同时,通过求解并联机器人各构件的动能和势能,采用Lagrange方法求解了并联机器人的动力学模型,并对其进行仿真分析。最后,根据并联机器人的实际工作要求,对机器人进行了门形路径的轨迹规划。其中,采用直线插补方法规划路径,再利用圆弧插补方法进行路径优化,选用修正梯形加速度运动规律,并使用Matlab软件编程,对机器人末端动平台进行门形运动轨迹仿真,以及通过应用SolidWorks软件对并联机器人运动学建模并仿真,两者结果对比对理论分析的正确性进行验证。

关键词： 动态约束多目标优化   决策变量分类   变化响应   协同进化   进化算法  

摘要： 动态约束多目标优化问题广泛存在于实际应用中,如任务规划、项目调度和能源分配等。该类问题的目标函数和/或约束条件动态变化,导致Pareto最优解集和/或前沿也发生变化。因此,如何在动态环境中快速并准确追踪可行的Pareto最优解是求解动态约束多目标优化问题的关键。本文基于已有的动态多目标算法研究,针对目标和约束均时变的动态约束多目标优化问题,提出两种动态约束多目标进化算法。(1)针对动态约束多目标优化问题,提出一种基于决策变量分类的动态约束多目标进化算法。为充分利用决策变量特性以达到快速追踪可行Pareto最优解集的目的,考虑约束条件对决策变量进行合理分析,提出一种决策变量分类方法。根据决策变量对收敛性、分布性和约束值的影响,将决策变量分成四类。当环境发生变化,混合响应策略针对不同类型的决策变量实施相应的变化响应方法,以产生高质量初始种群。同时,提出一种子代生成方法,有效利用收敛相关和分布相关的决策变量生成子代,以加速种群收敛。实验结果表明,所提算法在性能上优于其他四种动态约束多目标进化算法。(2)为提高求解动态约束多目标优化问题的效率,提出多种群协同进化的动态约束多目标进化算法。基于上述工作内容,设计一个改进的决策变量分类方法,将决策变量划分为约束收敛、收敛和分布三种类型,以提高决策变量的利用效率。在检测到环境变化后,利用卡尔曼滤波预测、中心点预测和精确可控变异算子分别对以上三类决策变量进行响应,在新环境下产生初始种群,以达到快速准确追踪动态环境下Pareto最优前沿的目的。此外,为了加速种群在静态环境中收敛到可行域,提出一种多种群协同进化框架。根据决策变量分类结果,将种群划分为两个子种群,通过完整解的构建达到可行性、收敛性和分布性的交互,从而提高进化效率。实验结果表明,所提算法能够高效求解动态约束多目标优化问题。该论文有图19幅,表8个,参考文献103篇。

关键词： 不连续动力系统   斜碰撞   干摩擦   流障碍   高维流转换  

摘要： 非线性系统广泛应用于机械工程领域.在此类系统中存在两类常见的非线性因素:摩擦和碰撞.为了优化机械系统的设计、控制工程噪声,越来越多的学者开始从事摩擦和碰撞振子的动力学行为的研究.非线性特性相关的研究成果为指导机械制造,提高机械工作性能提供了依据.本文基于不连续动力系统的高维流转换理论,研究了具有干摩擦和单摆装置的3-DOF(三自由度)斜碰撞系统的动力学行为.考虑了由弹性接触模型和库仑摩擦模型组成的斜碰撞系统.同时物体与地面之间的动摩擦系数和静摩擦系数不相等,对由此导致的流障碍进行了研究.根据摩擦和碰撞这两个非线性因素,在四维和二维相空间中划分出不同的区域、边界和边缘.随后在分离边界处给出了物体运动切换的条件,并进一步在四维相空间中推导出边缘处的运动切换准则,这是在高维空间中对流转换理论的进一步扩展和丰富.此外,本文通过数值模拟直观地展示了一些典型的运动切换并给出了滑模分岔图.与低维流转换理论相比,该方法可以更系统地研究多自由度系统在多个物体同时作用下的动态行为,并给出更加简洁的判断准则.3-DOF斜碰撞系统复杂运动机理的研究为单摆减震器的参数选择提供了参考,同时也为在机械工程领域中研究如何抑制摩擦或碰撞系统的振动或噪声提供了参考.以下是本文的主要内容:第一章,阐述了摩擦及碰撞系统的研究背景及现状,同时给出了不连续系统中的高维流转换理论的相关定义以及在不连续边界处的两类典型运动的切换判据.第二章,利用库仑摩擦模型和斜碰撞模型建立了3-DOF振子的物理模型,并给出了系统在不同运动状态下的运动方程.由于摩擦和碰撞的存在,物体的运动具有不连续性,基于此,在四维相空间和二维相空间中划分了不同的区域、边界和边缘,并将三个物体的运动方程以矢量形式进行表示.以高维流转换理论为依据,根据相应边界处的函数,在分离边界处推导出了物体分别发生穿越运动、擦边运动、滑模运动以及粘合运动时相应的解析条件,并详细给出了边缘处的运动变换及其切换准则.随后,三个物体的转换集的给出为引入六维映射结构来研究系统的周期运动提供了便利.最后,利用MATLAB软件对一些典型的运动切换进行了数值模拟,并给出物体8)随不同激励频率和振幅而变化的滑模运动分叉图,更加直观地说明了该系统的运动切换机制.第三章,对本文研究的主要内容进行总结,并展望今后的研究方向及相关问题.

关键词： 船载设备   三自由度稳定机构   模糊PID控制器   预报补偿  

摘要： 随着我国工业化和自动化大步进展，众多工业设备被海洋产业投入生产使用。但由于海洋工况环境复杂，船舶受到海浪扰动的影响，严重限制了船载设备的工作时间。如何提供合适的作业环境、延长设备作业时间是提高生产能力、扩大经济效益的关键。因此国内外开始研究各种形式的船载稳定机构，而并联机构以其高承载、大刚度、快响应、准定位的优点被广泛应用在稳定机构中。　　本文提出一种适用大负载的三自由度稳定机构，阐述该构型特点并对其进行自由度论证。其次分析了稳定机构运动学，根据使用场景，对其坐标系进行定义，搭建运动学数值算法模型，并通过导入 ADAMS 虚拟样机验证了算法模型的收敛精度。随后探究了稳定机构工作时扰动运动及结构参数对牵连运动的影响，进一步明晰了该机构特性。　　本文使用矢量力学和分析力学两种手段，分别建立基于牛顿欧拉方程和基于速度约束方程的带负载刚体动力学模型，其次分析了驱动系统的动态特性，并进行负载匹配，以期提高整体系统的工作性能。为确保稳定机构的补偿精度，基于关节空间作动器位置控制策略，为各支链设计了相互独立的模糊 PID 控制器，并进行整体系统的联合仿真，验证了控制精度满足补偿要求。　　考虑到一般补偿控制策略中扰动总是先于补偿发生，稳定机构响应存在滞后，通过联合仿真可知，系统响应滞后是影响稳定机构补偿精度的重要因素。为了进一步提高稳定机构补偿精度，为负载营造更加完美的作业环境，本文通过对船舶扰动简要分析，提出了一种基于神经网络的船舶扰动预报补偿控制算法，通过LSTM神经网络对扰动信号的预测，将机构的补偿同步于扰动。将该控制算法布置到整体系统模型中进行联合仿真，验证了该策略的可行性。

关键词： 仿鸟扑翼飞行器   高升力机制   扑翼驱动机构   气动性能  

摘要： 仿生扑翼飞行器是一种集起飞、加速、悬停于一体的飞行器,其体积小且飞行灵活,具有广泛的军事和民用应用前景。特别是在士兵无法进入或侦察卫星无法识别的区域,扑翼飞行器因其仿生性和灵活性能够发挥更大的作用。然而,目前国内外对扑翼样机的研制多为模仿小型鸟类的单段式扑翼结构,对大型鸟类的仿生研究较为缺乏。本课题以海鸥为仿生对象,设计一种两段式扑翼飞行器,使翅膀能够实现“扑动-俯仰-折叠”的复杂运动,并对其进行了气动分析。本文的研究内容主要包括以下几个方面:以鸟类作为研究的重点,本文首先系统全面地阐述了鸟类飞行的高升力机制,包括身体构造、飞行方式以及鸟翼的运动规律等方面。对昆虫的运动规律和高升力机制本文也做了一部分探讨,发现昆虫的高升力机制对鸟类也同样适用。分析了扑翼飞行器的各部分对升力的影响,包括机翼、机身和尾翼的影响。其次,在对曲柄机构分析比较的基础上,确定双曲柄机构作为扑翼飞行器的扑动机构。根据鸟类扑翼飞行的仿生条件,初步确定基本参数。选择二级齿轮减速器作为扑翼驱动机构,对翅翼结构、机身结构、尾翼结构、增升机构提出设计方案,建立扑翼机构的三维模型。然后,在以上研究的基础上,用Solidworks绘制仿鸟扑翼飞行器的三维模型。该扑翼机构具备对称扑动和俯仰运动的能力,能够实现内、外翼的弯曲折叠运动。这种设计不仅能够模拟鸟类的飞行方式,还能够提高飞行器的机动性和环境适应性,为仿生扑翼飞行器的应用提供了更广阔的空间。最后,基于流体力学理论构建多组仿鸟扑翼飞行器翅翼的二维模型,参照鸟类外形尺寸,建立扑翼多自由度运动模型,设定计算区域并进行网格划分,运用动网格技术,进行流体仿真计算。利用Fluent软件对三自由度扑翼飞行器的翅翼进行二维数值仿真模拟,研究了在低雷诺数非定常流场情况下,翅翼扑动和扭转作用下的气动特性,探讨扑动频率、扑动幅值角、来流速度、飞行过程中迎角、扑翼倾角的改变和增升机构、折叠机构的有无对流场升阻力系数的影响。本文所给出的气动性能仿真结果,不仅为扑翼飞行器样机性能的提升和应用的拓展提供了重要的参考方向和指导作用,还有助于提高仿生扑翼飞行器的飞行性能和稳定性,也能够促使扑翼飞行器尽快应用于各领域当中。

关键词： 臀桥   核心稳定性   非稳定性训练   六自由度平台   表面肌电  

摘要： 研究目的:臀桥具有简单易学、安全性高、不受场地限制等特点,作为核心力量训练最常见的方式之一,一直被普通健身爱好者以及健身健美运动员所青睐,而相对于传统核心力量训练,非稳定训练对核心肌肉的刺激更强。六自由度平台作为主动型非稳定设备,为本研究提供了条件。研究方法:本研究招募了武汉体育学院19名男性健身健美专业运动员作为实验对象,在稳定模式和六自由度平台12种模式共13种模式下完成30s的静态臀桥,采集腹直肌,腹外斜肌、股直肌、背阔肌、腰部竖脊肌、臀大肌、股二头肌共7块浅层核心肌肉的肌电数据。利用Noraxon表面肌电分析六自由度平台进行不同方向不同频率的运动时臀桥动作对于核心肌群肌肉的表面肌电指标均方根振幅(RMS)、积分肌电值(i EMG)的影响,总结六自由度平台进行不同模式不同频率运动下肌肉的发力规律。研究结论:利用六自由度平台营造非稳定环境可以极大程度的提高腰部竖脊肌的参与度,且在中、高频率转动模式下效果最为显著。六自由度平台的12种运动模式对腹直肌、腹外斜肌、股直肌、背阔肌、股二头肌均没有产生显著影响。随着频率的增大,对臀大肌的激活程度产生了降低作用。随着六自由度平台运动频率的增大,腰部竖脊肌与臀大肌主导的发力模式逐渐切换为所有核心肌肉协同发力的模式。肌肉不会因为非稳定条件程度的提升而展现出更大的激活,所以在训练时不仅要考虑肌肉发力的效果,还要考虑发力模式的变化。本研究利用Noraxon表面肌电,研究在六自由度平台进行不同方向不同频率的运动时臀桥动作对于核心肌群肌肉的表面肌电指标的影响,探究不同模式下肌肉的工作规律,总结适合臀桥训练的主动非稳态环境,从而为普通健身爱好者以及运动员在运动健身等方面提供相应的理论依据。

关键词： 干摩擦   弹性碰撞   胶囊系统   振荡器系统   映射   分岔  

摘要： 无论在生活还是工程中,非光滑动力系统都大量存在,对人类的日常生活与生产都带来了巨大的影响.由碰撞和摩擦导致的非光滑是非光滑系统中最常见的类型.本文研究了两类含间隙和摩擦的非光滑动力系统的动力学行为,一类是含双侧弹性约束的胶囊系统,一类是单侧约束的振荡器系统.本文先研究了具有双侧弹性约束胶囊系统的三维映射,关于这方面的工作目前还很少有人涉及.相较于单侧弹性约束胶囊系统,双侧弹性约束系统更适用于小尺度胶囊系统,边界上的切换机制更加复杂,得到的所有局部映射形式多样,且整个运动过程及分岔也更加丰富.对双侧弹性约束胶囊模型的详细分析可为小尺度胶囊模型的实际应用提供更有效的理论支撑.本文主要分析了双侧弹性约束胶囊系统中由干摩擦和碰撞引起的非光滑边界上的局部及整体动力学.通过对非光滑边界面和边界线附近向量场的分析,得到了非光滑边界面和边界线上的切换机制,找到了所有可能的局部映射.在理论分析的指导下,通过改变外激励幅值进行了数值研究,得到滑动分岔和边界交叉穿越分岔.数值模拟得到分岔发生的地方和分岔前后运动状态的变化均与理论分析结论一致,说明此分析方法可以用于讨论双侧弹性约束胶囊系统的动力学行为,且动力学行为可以由映射表示.针对单侧约束振荡器系统,本文引入三维映射法,对其非光滑边界处做了详细的理论分析,得到了非光滑边界上的切换机制和可能的局部映射,并在理论的指导下,用仿真验证了部分分岔的发生.这个研究的特点在于,一方面,为振荡器系统的研究提供了一种新的研究思路;另一方面,三维映射法在振荡器系统中的拓展体现出动粘滞边界的特性,由此得到了新的分岔现象:边界面擦边分岔和第二类边界交叉穿越分岔.