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关键词： 并联机构   误差建模   精度可靠性   精度综合  

摘要： 本文密切结合大型复杂结构件对高端加工装备的重大需求,以一种新型五自由度Trifree混联机器人中的主机构R(RPS&RP)&2-UPS三自由度并联机构为对象,系统研究该机构的误差建模及灵敏度分析、位姿精度可靠性分析以及零部件公差优化设计,形成了一套研究少自由度并联机构位姿精度可靠性和精度设计的方法,全文取得了以下成果: 在误差建模及灵敏度分析方面,基于新型三自由度并联机构的结构特点,定义了该机构的几何误差源,根据矢量链法和小摄动原理建立了机构末端位姿误差和几何误差源之间的映射关系,确定了影响末端位姿误差的37项几何误差源,并分别构建末端位置误差和姿态误差与误差源的映射关系。为提取对末端位姿误差影响较大的关键误差源,利用灵敏度系数法定义了位置误差和姿态误差关于误差源的灵敏度全域评价指标,通过灵敏度分析得到了各误差源对位姿误差的影响程度,结果表明影响位置误差和姿态误差的关键误差源相同,且第2、3支链的误差源对位姿误差有相同的灵敏度,为后续精度可靠性分析提供了理论基础。 在位姿精度可靠性分析方面,分别构建了位置误差和姿态误差与关键误差源的映射模型,简化了误差模型,减少了误差源数量。定义机构末端位姿精度可靠性,建立了位姿精度可靠性计算模型,利用四阶矩法和蒙特卡洛法分别计算了末端位姿精度可靠性随允许误差的变化规律,由计算结果可知,允许末端位置精度在0.1 mm、姿态精度在0.015°时,位姿精度可靠性均可达90%以上,表明该机构具有良好的位置精度和姿态精度。在此基础上揭示出关键误差源和允许误差对机构末端位姿精度可靠性的影响规律,给出既可保障位置精度可靠性、又兼顾制造成本的误差源取值选取范围,并结合具体算例优化了误差源的分布参数,为机构的制造和装配误差的合理制定提供了参考。 在精度综合方面,提取了末端位姿误差中的不可补偿误差,通过灵敏度分析得到了误差源中对不可补偿误差影响较大的关键误差源。通过小位移旋量理论和公差累积分析得到了零件公差与关键误差源之间的映射关系。为了减小计算量,对任务空间进行精度预估,将精度综合的求解区间由整个任务空间缩减至一个平面。通过构造非线性约束优化模型,以制造成本最小化为目标,以末端不可补偿误差在允许值范围内和可靠性优化算例得到的误差源取值范围为约束,兼顾了位姿精度可靠性和不可补偿误差,最后利用遗传算法得到了零件的最优公差值。研究结果对制造和装配机器人的相关零部件具有工程意义。

关键词： 微创手术   多自由度   手术工具   丝传动   设计优化  

摘要： 微创手术具有切口小而隐蔽、切割精准、良好的器官保护、疼痛轻、出血少、住院时间短、并发症少等优点,相比传统的开放手术,微创手术中末端操作器械的性能显得尤为重要。现有的手持式微创手术器械存在着可操作性差、灵巧性不足等缺陷,难以自由精准地进行手术操作,而手术机器人虽然操作方便、精度高、灵巧性高,但价格高昂、体积庞大难以携带和推广、缺乏触觉反馈。针对以上缺陷和不足,本文以腹腔镜微创手术为背景开展了新型手持式多自由度微创手术器械的设计和研究工作,设计了两种灵活度高、操作方便、结构简单、价格低廉的手持式多自由度微创手术器械,着力提高手术器械的灵活度和可操作性。分析了微创手术对手术器械的性能要求,研究了腹腔镜微创手术的流程、手术器械的种类、尺寸要求、自由度需求、手术操作力的范围、医用材料以及加工工艺等,对比了各种驱动方式,选择了适合手持式多自由度微创手术器械的钢丝绳传动方式。建立了钢丝绳的几何结构模型,分析了钢丝绳在滚轮上的受力,建立了钢丝绳在滚轮上进出口拉力的数学关系式、动摩擦力与包角的关系式、钢丝在滚轮上的应力分布函数;根据钢丝绳的力学特性对从动轮、导向轮、驱动轮的结构进行了设计,规划了钢丝绳的空间路径,提出了一种“对称结构”方案消除了腕关节的偏转与俯仰的运动耦合。设计了多种微创手术器械腕关节的初步方案,根据性能要求以及腹腔微创手术环境的约束,选择了丝轮万向轴节和柔性蛇形结构的腕关节方案,设计了丝轮万向轴节腕关节的末端手术工具、腕关节、操作杆、后端操控机构,对腕关节关键零部件的强度进行了校核,分析了末端执行器的运动空间范围。设计了柔性连续型手持式多自由度微创手术器械,研究了多种柔性蛇形腕关节并进行了对比分析,对蛇形腕关节的柔度和弯曲疲劳特性进行了分析,对相关影响参数进行了优化设计,设计了蛇形腕关节的驱动结构以及后端的操控机构。

关键词： 船用起重机   船舶消摆   轨迹跟踪   六自由度运动平台   P-M谱  

摘要： 随着海洋运输业的蓬勃发展，船舶控制技术也进一步发展。船用起重机作为船舶在海上主要搬运设备之一，在风、浪、涌等海浪载荷的影响下，船用起重机会随着船舶的摆动而摆动。在工作过程中，船用起重机会随着船舶进行多个方向的摆动，较陆地环境更难以控制。船用起重机的吊具的稳定性的问题愈发突出。　　本文针对船用起重机在动基座环境下的船舶摆动问题，提出了采用六自由度运动平台作为起重机基座，加载海浪P-M谱模拟船舶实况运动得到目标曲线。通过轨迹跟踪模拟仿真与运动补偿模拟仿真，实现对运动平台的误差修正及精准控制。　　本文主要研究内容具体如下：　　（1）本文以折叠式起重机作为目标船用起重机，对六个液压缸进行设计计算，通过折叠式起重机安装底座尺寸，给出六自由度运动平台整体尺寸。完成六自由度运动平台建模;（2）在仿真软件ADAMS中分别对运动平台的机构约束与控制变量进行设定;在控制软件Simulink中搭建海浪P-M谱仿真控制系统。采用ADAMS与Simulink通信接口，完成船舶海浪P-M谱仿真，得到目标曲线;（3）建立船舶运动轨迹跟踪模拟仿真机械系统与控制系统。通过船舶运动轨迹跟踪模拟仿真实验，得到需要的轨迹跟踪曲线，并分析并联结构特性产生的误差。　　（4）建立船舶运动波浪补偿模拟仿真机械系统与控制系统。通过船舶运动轨迹跟踪模拟仿真实验分析得到的误差，对运动平台反解及PID控制器参数进行修改，仿真分析得到波浪补偿运动曲线，与纵摇、横摇及垂荡三个方向的时间历程曲线进行比较。　　利用搭建的运动平台，通过ADAMS与Simulink联合仿真，进行了P-M谱船舶实况运动模拟实验，借鉴轨迹跟踪与波浪补偿的思想，通过轨迹跟踪模拟仿真与运动补偿模拟仿真，达到了控制运动平台消除船舶摆动的目的。

关键词： 机械臂   六自由度抓取   姿态估计系统   堆叠场景   图像编码器  

摘要： 随着越来越多的机器人被应用于生活和生产的各个领域，构建机器人多自由度抓取系统成为了智能机器人领域的研究热点。传统的机器人抓取环境大多设置为少量物体分散布置的简单场景，而对于多种物体相互堆叠、遮挡复杂场景下的抓取任务还存在一定局限性。在堆叠场景中，由于多个形状、尺寸大小不同物体之间相互混杂、堆叠和遮挡，容易造成输入图像中存在部分视觉信息缺失。同时由于物体间相互遮挡，使得目标物体边缘深度不连续，依靠图像生成的点云模型存在溢出效应等问题，最终导致系统抓取成功率受限。因此，本文针对这些问题，设计了堆叠场景下机械臂六自由度抓取姿态估计系统，具体研究内容包括以下几三个方面：　　（1）本文基于树莓派等硬件接口，设计了一种便携式人类专家抓取演示数据采集装置，并制作了模型训练所需数据集，有效提高了模仿学习所需要的大量专家演示数据的制作效率，降低了专家演示数据集制作所需的大量人工和计算成本。　　（2）为了计算得到堆叠场景中机械臂稳定的六自由度抓取姿态，本文基于小样本模仿学习训练方法，使用堆叠场景下基于双目RGB-D的机械臂类人化抓取姿态估计方法计算得到机械臂在多种物体堆叠场景中稳定的六自由度抓取姿态。该方法通过研究人类专家抓取演示过程，利用模仿学习训练机械臂类人化抓取策略。首先，由于模仿学习需要大量的专家抓取演示数据。其次，相对于三维空间中庞大的机械臂六自由度抓取动作空间，装置所采集的专家演示数据只能作为引导策略网络训练的小样本数据。因此，利用深度强化学习策略网络的自监督训练产生更多抓取轨迹。另外，由于深度强化学习策略网络可能产生错误的预测轨迹，而预测轨迹与专家演示轨迹在空间中可能存在相交状态点。通过将演示轨迹与预测轨迹在相交点前后的抓取向量进行组合，从而修正错误抓取预测轨迹在该状态点的策略选择，得到期望的正确抓取演示数据。然后，利用模仿学习策略网络实现专家抓取演示数据的行为克隆。　　（3）针对生活中常见的玻璃杯、易拉罐等具有表面反射物体在深度图像中成像较差的问题，基于Transformer结构ViT单目深度回归算法，实现从单目RGB图像中回归图像相应的深度信息。同时利用堆叠场景下基于单目RGB的机械臂六自由度抓取姿态估计方法实现包含光度反射物体在内的多个物体堆叠场景下机械臂稳定的六自由度抓取。首先，基于ViT（VisionTransformer，ViT）深度估计网络框架设计了单目RGB图像编码器，实现了从单目RGB图像到深度图像与物体表面法向量图像的预测。然后，通过离散SAC（SoftActor-Critic，SAC）深度强化学习框架，使用随机梯度下降法，从而避免了抓取策略陷入局部最优的问题，实现对于机械臂的六自由度抓取动作空间的充分探索。另外，通过重构TSDF体素场景，可以反向投影得到未来状态图像，从而实现了系统的视觉闭环。　　（4）为了进一步提高堆叠场景下机械臂六自由度抓取姿态估计的成功率，并满足实际应用的需要，构建了一个针对堆叠场景的机械臂六自由度抓取系统。首先，通过引入抓取姿态评估方法，对上述提出的堆叠场景下基于双目RGB-D的机械臂类人化抓取姿态估计方法和堆叠场景下基于单目RGB的机械臂六自由度抓取姿态估计方法分别生成的最优抓取姿态进行评估，系统选择得分最高的候选抓取姿态作为机械臂在当前状态下的抓取策略。　　最后针对上述研究内容，本文先后在虚拟物理引擎仿真环境和真实环境中进行实验验证了所提出方法的有效性和可行性。实验结果表明，利用本文所提出的方法与系统能够较好地完成堆叠场景中机械臂抓取姿态估计任务。本文的研究成果为机器人的抓取姿态估计方法中存在的一些问题提供了有效的解决方案。

关键词： 多自由度强非线性振动系统   数值分析方法   复变量平均法   增量谐波平衡法   稳定性分析  

摘要： 为了给非线性能量阱(NES)耦合超高层建筑在强风作用下产生的风致振动特性研究奠定基础，本文将分别基于两种解析分析方法——复变量平均法(Complexaveragingmethod,CA)和增量谐波平衡法(Incrementalharmonicbalancemethod,IHB)对一个三自由度线性主结构耦合立方刚度非线性能量阱(CubicNES)的强非线性振动系统进行解析计算，辅以李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论和弗洛凯(Floquet)理论判断平衡点的稳定性，并在此基础上探究该系统的振动特性。从这个角度出发，本文以四个自由度的强非线性系统为例，计算并展示了解析方法应用于较多自由度的模型时的计算过程和结果，为之后将其推广到更加复杂的强非线性系统的研究工作提供了参考。同时，为了确保计算结果的正确性，本文采用了四阶龙格库塔法(Runge-Kuttamethod,RK)和牛顿拉夫逊法(Newton-Raphsonmethod,NR)等数值方法进行验算。具体内容及有关结论如下:　　(1)介绍了本文选取四自由度强非线性系统进行研究的背景和原因，回顾了非线性能量阱的发展历程，主要包括对其强非线性振动特性和振动抑制效果的理论研究和实验。此外，以CubicNES为例解析分析了非线性能量阱在自由振动时的靶向能量传递现象。　　(2)以单自由度线性主结构耦合CubicNES的简单系统为例，对比基于两种数值方法——四阶龙格库塔法和牛顿拉夫逊法计算出的位移响应稳态周期解，从而验证了这两种数值方法本身的正确性，为后续对解析解的数值验证提供支持。　　(3)利用复变量平均法推导了四自由度强非线性系统的慢变方程;计算出了固定简谐荷载作用下平衡点坐标随立方刚度系数变化的趋势，同时也从数学上解释了平衡点个数与系统参数之间的关系;最后，基于李雅普诺夫理论对平衡点稳定性进行了判别。分析结果表明:对于包括不稳定平衡点在内的三个平衡点的参数情况，即使以不稳定平衡点为积分初值，系统也无法长时间保持相应的振动状态，最终都会滑向某一个稳定平衡点对应的周期解。　　(4)针对研究所关心的强非线性系统随外激励频率变化的振动特性，利用增量谐波平衡法对系统响应进行了解析计算;随后采取弧长增量法追踪频响曲线，提高了收敛速度;最后通过弗洛凯理论对求得的周期解进行稳定性判别。分析结果表明:基于增量谐波平衡法和弗洛凯理论绘制的频响曲线能够有效预判周期解的稳态幅值和稳定性;对于同一个频率下有多组稳定周期解的情况，系统的稳态响应幅值取决于初始能量大小;相较于三自由度线性主结构的自振频率，附加CubicNES后的强非线性系统的振幅峰值频率可能会产生一定量的偏移;另外，当系统产生强调制响应时，CubicNES能够发挥出较好的振动抑制水平。

关键词： 超构表面   电磁调控   相位   多自由度   高效  

摘要： 现代社会的进步与电磁波调控技术的发展息息相关。传统的电磁波调控常通过改变材料的种类和器件的面形实现,由此导致系统笨重繁杂。超构表面作为超材料的二维等价物,是一种新兴的可人为设计的平面电磁调控器件,为电磁波调控系统和器件的轻量化、平面化和集成化提供了重要途径。其中,相位型超构表面通过人为设计亚波长结构的参数和材料,在介质交界面处引入异常相位突变调控电磁波,已广泛用于成像、传感、虚拟赋形和通讯等领域。在国家自然科学基金等项目的资助下,论文重点针对目前相位型超构表面存在的效率带宽受限、调控维度相对单一和复用自由度相对有限且集成度较低等问题,结合振幅、偏振、波长和透反射空间等自由度,分析了高效多自由度相位型超构表面的原理,较为深入地研究了电磁波高效宽带相位调控、相位和振幅同时调控、多自由度复用等方法。本文的主要研究内容和创新点如下:(1)针对相位型超构表面效率带宽受限的问题,基于悬链线光场理论,提出利用全金属结构激发出的低损耗的空气波导模式实现高效宽带相位调控的方法。首先提出在相邻的全金属结构之间构建类缝环谐振腔的方法增加带宽和效率,结果证明在8-14μm波长范围内,设计的经典几何相位超构表面的平均效率为～84%。其次,提出利用多重旋转对称性的手性全金属结构高效地产生广义几何相位的方法,设计的广义几何相位超构表面在9.5-11.5μm的波长范围内,平均效率约为83%。利用上述方法,设计了高效宽带全金属偏折器、自旋至轨道角动量转换器和全息器件,进行仿真和实验验证。(2)针对相位型超构表面调控维度相对单一的问题,在相位自由度的基础上增加振幅自由度,提出基于结构内部电磁场耦合作用的高效相位和振幅同时调控方法。首先,基于超级单元偏振选择的局域相长或相消干涉原理,提出一种可实现高效线偏振相位和振幅同时调控的单层超构表面设计方法,并设计偏折器和聚焦透镜进行仿真验证。随后,提出利用多重旋转对称性结构内部的双磁偶极子共振和结构间强的电场相互作用同时调控圆偏振相位和振幅的方法,并制备和测试了偏折器和涡旋光束产生器,对其进行实验验证。(3)针对相位型超构表面复用自由度相对有限且集成度较低的问题,拓展波长和透反射空间复用自由度,并基于复合相位原理进一步提高集成度。首先,利用传输相位的波长相关性,提出基于复合相位原理的波长复用方法,通过对制备的多通道涡旋光束产生器和全息器件进行实验表征,证明改变入射光波长可实现对称和非对称光子自旋相互作用的切换,同时产生光学双卷积现象。其次,提出基于局域干涉原理的空间复用方法,设计了可在反射和透射空间分别产生聚焦的涡旋光束和聚焦光束的多功能器件,仿真和理论结果基本一致,证明单层全介质超构表面可在透射和反射空间高效地产生任意且独立的波前。

关键词： 单枪加注多种油品   五自由度   运动学研究   动力学研究  

摘要： 随着我国人均保有的汽车数量逐年增多,如何提高加油站加油效率,减少人力成本成为了工业机器人的一个研究方向。特别是近些年来人工智能和工业机器人技术的发展,以机器人为主导的智能化生产模式逐渐替代以人力为主导的传统生产模式,催生出了一批自动加油机器人。在此设计一款单枪加注多种油品的自动加油机械臂,并研究了机械臂的运动学和动力学相关特性。本文主要从两方面来研究五自由度自动加油机械臂,一方面针对现存自动加油机械臂无法实现单枪加注多种油品的问题对末端执行器进行创新设计,并验证其理论上的可行性,另一方面提出了自由度为五的自动加油机械臂,并验证其在加油过程中采用五自由度的可行性,在五自由度的基础上对机械臂的运动学、动力学等相关特性进行了分析和仿真。主要研究内容有:(1)设计选型了机械臂末端执行器的夹持装置、开盖装置和授油装置。为实现单枪加注多种油品,针对授油装置进行了创新设计。运用Solidworks软件对末端执行器各装置进行整体建模装配。运用Solidworks中的Flow Simulation模块对阀体进行流体仿真验证其自封功能的可行性。(2)通过整个加油流程中末端执行器各工位与目标物体的配合关系,得出配合所需的齐次坐标矩阵,从矩阵的变换过程确定机械臂所需的自由度。运用Solidworks软件对机械臂整体进行建模,并对加油站场景进行搭建,在确保配合关系的前提下对机械臂大体尺寸进行确定,从而为之后的计算仿真提供相关数据。(3)为研究机械臂的运动学以及动力学,首先通过D-H参数法建立机械臂的运动学方程,并通过分离变量法得出运动学方程的逆解。为研究机械臂的末端与关节之间的映射关系,在机械臂运动学方程的基础上分析了机械臂的雅可比速度矩阵以及静力学雅可比矩阵。(4)基于Matlab对机械臂进行运动学仿真,包括对机械臂进行正逆运动学仿真和工作空间仿真。前者验证运动学方程正逆解的正确性,后者进一步验证第三章中自由度与尺寸的可行性。对机械臂分别进行关节空间轨迹规划和笛卡尔空间轨迹规划,得出两种规划方法下末端点的位移、速度、加速度随时间的变化曲线,以及各关节的角度、角速度、角加速度随时间的变化曲线,从而为动力学仿真提供所需的驱动函数。(5)运用拉格朗日法建立机械臂动力学方程。将关节空间轨迹规划和笛卡尔空间轨迹规划中的各关节角度随时间的变化曲线分别导入到Adams软件中作为各关节的驱动函数,可得两种规划方法下各关节所受力矩的变化情况。(6)运用Ansys的瞬态分析模块分析机械臂整体在运动过程中的应力应变情况,通过应力大小对比机械臂材料的屈服强度,从而确保机械臂工作过程中的安全性,通过应变大小,确定机械臂在运动过程中是否满足精度要求。

关键词： 量子通信   量子安全直接通信   三方量子安全直接通信   测量设备无关  

摘要： 量子安全直接通信(Quantum secure direct communication,QSDC)是一种不需要共享密钥,直接在量子信道中进行安全信息传递的方法。三方量子安全直接通信(Three-party quantum secure direct communication,3P-QSDC)可以使两个通信方通过量子信道同时向第三方传输安全信息。以往的3P-QSDC协议都需要有理想可靠的测量设备,但在目前的实验条件下很难实现。然而实际不完美的测量设备会给3P-QSDC带来一些安全性漏洞。为了解决上述提及的问题,本论文提出了一种基于极化和空间超纠缠态的测量设备无关三方量子安全直接通信协议(Measurement-device-independent three-party quantum secure direct communication protocol,MDI-3P-QSDC)新方案,主要分为以下两个方面的工作:一方面,我们提出了MDI-3P-QSDC协议。在该协议中,所有的测量任务都交给第四方测量端来操作,第四方测量端可以是不可信的,甚至完全被窃听者控制。本协议可以抵抗来自实际不完美测量设备的所有可能的攻击,理论上该协议是无条件安全的。与以往的3PQSDC协议相比,在实际实验条件下,我们的协议有更高的安全性;此外,该协议还具有更高的信道容量,在一轮通信中,双方可以分别向第三方发送2比特的安全信息。另一方面,我们也给出了MDI-3P-QSDC协议的安全性分析。在我们的协议中,三轮光子传输过程的安全性分别由三轮安全性检测来保证的。无论是窃听者在光子传输过程的拦截和重发行为,还是第四方不可信的问题,都会增加错误率,而错误率高于一定阈值时就会被双方发现。最后,我们给出了误比特率(Quantum Bit Error Rates,QBERs)和通信码率之间的关系。

关键词： 振动测试平台   混合启发式算法   模型设计   PID控制   策略优化  

摘要： 随着汽车工业的发展,振动试验成为了检测车辆性能的重要环节。目前车辆振动试验还是现场测试为主,且现有的模拟车辆振动试验装置大多为串联式通用平台,不能满足车辆振动试验中高精度、快响应的功能需求。与传统的串联机构相比,并联机构具有更高的刚度、更稳定的结构和更大的承载能力。据此本文设计了一个具有速度响应快、运动精度高、振动频率大等优点的车辆六自由度振动测试平台,并对其进行控制策略优化研究,为汽车总成、汽车相关零部件的研发以及车辆性能测试提供振动试验基础。针对上述问题本文进行了如下研究: 对车辆六自由度振动测试平台进行结构分析,利用矩阵变换法推导出车辆振动测试平台运动学反解模型,利用拉格朗日公式进行平台的单缸动力学分析,结合牛顿-欧拉方法对动平台进行动力学分析;针对车辆振动测试平台的功能需求,进行车辆六自由度振动测试平台模型设计,通过静力学分析验证了测试平台结构作为车辆振动测试平台的合理性,通过动力学分析验证了其运动性能;以设计的三维模型参数为基础,结合车辆振动试验特点,提出基于混合启发式算法的PID控制策略,推导出伺服电动缸的单通道数学模型,基于MATLAB/Simulink建立车辆六自由度振动测试平台控制仿真系统模型。 结合电动缸的实际参数对电动缸单通道模型进行基于混合启发式算法PID的控制策略仿真,并使用Z-N法PID控制进行控制策略的对比分析,结果表明,采用混合启发式算法PID控制时,阶跃系统超调量仅为3.80%,系统的动态性能显著提升。分别采用混合启发式算法和Z-N法PID控制系统对车辆六自由度振动测试平台控制仿真系统模型进行控制性能验证,结果表明,采用混合启发式算法PID控制时平台在空间位置变化曲线更加接近输入信号,系统运行0.3 s后进入稳定状态,其最大位移误差为0.09 mm,系统的运动精度相较于Z-N法PID控制提升了61%。