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关键词： 直线型并联机器人   运动学特性   动力学特性   轨迹规划   模糊PID  

摘要： 针对轻工行业纵深抓取的应用需求,在分析了传统三自由度并联机器人结构特点的基础上,本文提出一种新型直线型三自由度并联机器人。该构型机器人采用两个对称移动支链配合一个转动支链,代替传统三自由度并联机器人三个转动支链,以降低机器人结构分析的难度,增大机器人的工作空间,并对其运动学特性、动力学特性、轨迹规划、运动控制等方面进行深入分析与研究,完成该新构型机器人系统设计与研究。首先,对新型直线型三自由度并联机器人结构进行设计,并建立运动学模型。运用空间解析几何和矢量法推导出机器人运动学位置正解和逆解方程。基于运动学逆解模型,采用搜索算法求解出机器人可达工作空间,结果表明该机器人具有更大的工作空间。随后根据机器人雅克比矩阵,分析了机构典型的奇异位形,为后续轨迹规划避免奇异位置奠定理论基础。其次,基于运动学模型,采用拉格朗日方程法对机器人系统的动能和势能进行求解,推导出系统的拉格朗日函数,建立动力学模型。通过MATLAB软件验证了动力学模型的正确性,并分析了负载和机构参数与关节驱动力矩和力特性之间的关系,为机器人设计参数优化和后续轨迹规划提供了理论基础。再次,采用梯形速度、梯形加速度、修正梯形加速度三种运动规律对机器人进行轨迹规划研究,遴选出最优的修正梯形加速度运动规律。随后,在优化的门字型路径内,采用修正梯形加速度运动规律对机器人进行了轨迹规划,获得机器人各关节位移曲线,为机器人运动控制提供了轨迹依据。最后,对直线型三自由度并联机器人进行运动控制策略研究,以实现机器人的高精度控制。在确立了伺服系统模型的基础上,设计了PID和模糊PID控制器,分别对机器人各支链电机转角跟踪控制进行仿真对比分析。仿真结果表明,采用模糊PID控制方法具有更快的动态响应过程,对控制系统中非线性因素具有更好的适应能力,有效降低了轨迹跟踪误差,提高了并联机器人系统的控制精度。

关键词： 物理层无线通信   信息论安全   人工噪声   自由度   天线选择  

摘要： 随着无线通信技术的不断革新及其应用的持续扩展,其相关的研究工作也越来越受到了人们的重视。作为该领域研究的基础,物理层无线通信理论研究就显得尤为重要。无线通信的最大特点就是它的“广播”属性,这就导致在信号的传播过程中极易受到窃听和干扰。因此,如何制造有用的“干扰”来防止窃听以及如何消除不必要的“干扰”进行高效传输就成为这篇论文研究的目标。论文将从“安全性”和“高效性”两个角度对物理层无线通信的“可靠性”进行深入探讨,提出并且解决相关研究领域的几个关键问题。本文安全性方面的研究主要基于人工噪声。所谓人工噪声就是利用帮助节点或者发送者天线中的一部分维度发送出的一种有益的干扰信号,这种信号经过精心设计只能干扰窃听信道而对主信道不会造成任何影响。这样,即使在窃听信道质量优于主信道质量的情况下也能实现安全通信。本文重点研究了三种典型的信道模型:SISOMH、MISOAN和MIMOAN。经研究发现,针对可能出现的窃听隐患,现有的基于人工噪声的安全方案均有不同程度的漏洞,即所谓的“安全盲区”,一旦人工噪声落入“安全盲区”,整个安全协议就会失效。论文结合矩阵理论的相关知识详细分析了三种安全漏洞,进而提出了三种优化方案:HTPOSISOMH、VBSE-MISOAN和MBSE-MIMOAN,成功消除了安全隐患。本文高效性方面的研究分为两个方向:一种基于自由度的MIMO天线选择算法和一种达到自由度上界的物理层编码方案。两个方向分别从天线选择和物理层编码方面入手,都是为了达到高效性传输的目的。在第一个方向的讨论中,重点研究了目前非常热门的天线选择算法。现有的天线选择算法只考虑到差错率最小或容量最大的情况,并不能解决实际需求和较低的通信率之间越来越突出的矛盾。增大发射机的发射功率和增加频谱是前人提出的两种解决方案,但是从发射成本和无线通信环境的角度考虑,这两种方法都不切实际。通常情况下,MIMO系统的信道容量与天线数呈线性正相关关系,但是随着天线数量增加计算复杂度也会随之增加,本文通过设计合理的选择候选天线子集数的方案,找到了性能与计算复杂度之间最佳的平衡点。在第二个方向的讨论中,首先定义了一种信道模型:G-MIMO双向中继信道。这种模型可以涵盖现有的大多数中继信道（如MIMO-X型双向中继信道、MIMO-Y型中继信道等）,极具研究价值同时也有很高的研究难度。然后本文将这种信道分为单中继和多中继两个大类进行讨论,并结合MIMO信道性质和“cutset”理论分别给出了三个自由度上界定理:G-MIMO双向单中继信道自由度上界定理、G-MIMO双向多中继级联信道自由度上界定理和G-MIMO双向单中继混联信道自由度上界定理。由于这三个定理基于普适性更强的G-MIMO中继信道,所以具有很高的实用价值,文中也给出了具体的应用实例。特别地,论文以GMIMO双向单中继信道为例,结合矩阵论、物理层网络编码和信号对齐等技术给出了相应的自由度上界可达方案。该方案分为两个阶段:多接入阶段和广播阶段。研究结果表明,该方案可使每个节点都达到预先分配的自由度,进而使整个系统达到总的自由度上界,实现传输效率的最大化。

关键词： MIMO干扰网络   有限反馈   自由度   回溯干扰对齐   空时干扰对齐  

摘要： 干扰是多用户无线通信系统吞吐量提升的基本障碍。近年来,无线网络在全局、瞬时发射端信道状态信息(CSIT:channel state information at the transmitter)条件下的干扰对齐(IA:interference alignment)已取得重大研究进展。然而,CSIT的严格约束使得实际通信系统难以获得理论自由度(DoF:degrees of freedom)增益,尤其是在CSIT受限的分布式网络中,自由度增益只有盲CSIT水平。一个疑问是,有限CSIT能否提升分布式干扰网络的自由度增益?本文以多天线技术为基础,通过刻画自由度与有限CSIT之间的折中关系,深入研究多输入多输出(MIMO:multiple input and multiple output)广播信道(BC:broadcast channel)、X信道、干扰信道(IC:interference channel)的干扰对齐技术,主要研究内容和创新贡献概括如下:(1)针对对称天线配置下的2?2用户MIMO X信道,探寻CSI反馈时延与系统可达自由度之间的折中域。首先,研究2?2用户MISO X信道的可达自由度,提出一种分布式预编码方案。其次,针对2?2用户MIMO X信道,提出一种基于适当延时CSIT的分布式空时干扰对齐(DSTIA)方案,利用循环填零预编码,给出多天线配置下可达自由度关于CSI反馈时延的折中域,对比分析不同方案下获得的信道可达自由度和可达速率。结果表明,相比于仅利用过期CSIT的干扰对齐方案,该方案能获得更高的自由度。进一步,从交替CSIT角度,提出一种基于交替CSIT的DSTIA方案,研究不同天线配置下的系统可达自由度。结果表明,交替CSIT与适当延时CSIT具有等效性,适用于分布式CSIT体系。(2)针对M?N用户MIMO X网络,研究多节点、多天线配置下的系统可达自由度和干扰对齐方案。首先,针对2?2用户MIMO X信道,提出一种基于符号消元(SE)的多阶段干扰再生(MIR)方案,研究不同CSIT图样下MIMO X信道的可达自由度,解决自由度损失问题。研究表明,MIR方案能进一步优化可达自由度,且自由度随天线配置变化逼近外界。然后,从发射端和接收端角度,研究MIMO X网络多节点扩展干扰对齐(ME-IA)方案,突破收发节点数限制。特别地,针对M?2用户MIMO X信道,探讨基于MIR的发射端ME-IA方案获得的可达自由度;针对M?N用户MISO X网络,提出一种接收端ME-IA方案,分析CSI反馈时延、网络节点数和配置天线数对总自由度的影响。结果表明,接收端ME-IA方案能够达到或逼近自由度外界。最后,针对M?N用户MIMO X网络,提出一种基于混合CSIT的多阶段分布式空时干扰对齐(MDSTIA)方案,通过设计链式解码结构,弥补自由度损失以获得更高自由度,缩小可达界与外界的差距,提高系统可达速率。(3)针对非合作式多用户MIMO干扰网络,在有限CSI反馈条件下,分别探讨K对用户MIMO X、K用户MIMO IC、K用户MIMO BC的可达自由度和干扰对齐方案。首先,针对K对用户MIMO X网络,提出一种基于适当延时CSIT的分布式回溯干扰对齐(DRIA)方案,利用当前和过期CSIT设计预编码以创建新的边信息,实现回溯干扰重构与消除,突破DSTIA在MIMO X网络中接收端个数(只能为2)的限制。结果表明,相比于TDMA,DRIA方案仍然能够获取系统自由度增益。其次,针对K用户MIMO IC,提出一种基于有限反馈的DSTIA方案,分别给出MISO系统可达自由度关于CSI反馈时延和反馈频率的折中域,分析MIMO节点天线数对系统自由度的影响,导出逼近自由度外界的条件,并给出保持系统可达自由度的CSI反馈时延范围。结果表明,DSTIA方案比现有方案更具自由度优势,且随着天线数变化能逼近自由度外界。最后,针对非对称天线配置的MIMO干扰网络,提出基于最小时隙准则的广义空时干扰对齐(GSTIA)方案,通过设计基站匹配发送和用户无干扰解码机制,分析系统可达自由度与基站和用户天线数之间的内在关系,突破非对称天线配置下设计IA方案的瓶颈。研究表明,GSTIA方案获取的自由度能够随天线数变化逼近自由度外界。

关键词： 自由度   混联机器人   并联机构   运动学   动力学   构型综合   优化设计  

摘要： 具有两移动一转动自由度(2T1R)和两转动一移动自由度(2R1T)过约束并联机构,具有结构简单的特点,已成为少自由度并联机构中的研究重点。基于3自由度过约束并联机构所构造的过约束5自由度混联机器人,融合了串联机器人工作空间大、灵活性好以及并联机构刚度大、承载能力强的特点,被广泛应用于空间复杂曲面的零部件加工领域。本文针对航空航天、汽车、船舶等领域复杂曲面加工任务要求,开展过约束5自由度混联机器人机构设计及理论研究。主要研究内容如下:借助螺旋理论对组成少自由度并联机构的常用典型分支进行了约束分析,并按分支的平面与空间运动特点对其进行分类;在2R1T并联机构中,其中具有2条连续转轴的并联机构运动解耦性好,使其运动学模型简单,易于得到机构的运动学解析解,故对转动自由度转轴与分支结构约束的关系进行分析;对刚体绕2轴线连续转动的情况进行研究,旨在得到分支布置对运动副的影响。对综合出的2T1R平面并联机构3PRR进行结构改进,增设1条PRR分支,组成驱动冗余并联机构。为增加了机器人的可研究性,对机构动平台拆分设计,使其成为易于实现变胞机构的运动冗余平面并联机构,机构的变胞性有助于实现机构运动冗余和驱动冗余模式的切换。基于得到的2PRR+R平面并联机构构造出新型5自由度混联机器人构型,并对其并联部分进行了系统的运动学、动力学及刚度分析,基于灵活性指标完成了机构的尺寸优化,对机构分支进行了结构拓扑优化和机械结构设计并完成样机研制。根据2R1T并联机构转动自由度转轴位置,对2R1T并联机构进行分类,给出构造5自由度混联机器人构型原则,然后基于综合出的具有2条连续转轴的2RPU/UPR并联机构,给出5自由度混联机器人构型方案。根据机构的转轴性质,提出构造混联机器人等效串联模型法,借助混联机器人的等效串联模型,对机构进行了位置、速度和加速度正反解分析;基于运动学模型对混联机器人进行了动力学分析、刚度分析和仿真验证;提出驱动力稳定性性能指标,结合力传递性和动平台转动能力性能指标,对2RPU/UPR并联机构进行了尺寸优化。最后,基于理论分析结果完成5自由度混联机器人的结构设计和样机研制。在2R1T位置型2UPU/SP并联机构基础上,串接2自由度AC调姿头,组成5自由度混联机器人。分析了2UPU/SP并联机构2转轴的性质,结果显示该机构具有2条顺序连续转轴;建立了2UPU/SP并联机构的运动学和动力学模型,并对其进行了仿真验证;基于运动/力传递功率性能指标并综合考虑规划的工作空间,确定了2UPU/SP并联机构关键尺寸;最后,建立了2种分支形式的5自由度混联机器人三维模型,并列出混联机器人模块化配置方案。对设计的3种混联机器人进行对比分析,以2RPU/UPR+R+P 5自由度混联机器人为例展开实验研究。基于西班牙FAGOR CNC8070系统搭建2RPU/UPR+R+P 5自由度混联机器人控制系统,实现混联机器人5轴联动。搭建加载平台实现2RPU/UPR并联机构侧向刚度对比实验,基于遗传算法辨识分支杆长零点误差,并完成球冠零件的加工实验。

关键词： 自由度   样本方差   方差分析  

摘要： 针对概率论与数理统计教学中出现的自由度定义,展开讨论,介绍自由度的定义和计算方法,帮助学生全面的理解自由度。

关键词： 焊接机器人   动力学分析   结构优化   轨迹规划   奇异性  

摘要： 六自由度关节型机器人的应用领域非常广泛,企业对机器人的工作性能和工作效率要求也越来越高。本文以六自由度焊接机器人为研究对象,对其运动学、动力学、结构优化设计和轨迹规划做了系统的研究,为机器人的开发设计提供了技术支持。首先根据D-H坐标法建立焊接机器人运动学模型,推导运动学正逆解方程。运用牛顿-欧拉法建立其动力学模型,推导出关节扭矩表达式。然后在ADAMS软件中建立焊接机器人虚拟样机模型,并进行运动学和动力学仿真分析,验证了动力学模型的正确性。接着提出用驱动力矩峰值和能耗来评价焊接机器人动力学性能。分析焊接机器人杆件参数对动力学性能的影响,在此基础上,建立优化目标,利用优化算法对各个杆件参数进行了综合优化,优化后的设计方案降低了驱动力矩峰值和作业能耗。最后选择机器人运动轨迹时间最优为目标,采用五次多项式规划,在考虑运动学和动力学约束下,利用遗传算法和下山单纯形混合寻优算法,快速规划出一条连续平稳且时间最优轨迹。分析了六自由度机器人三种奇异位形,且给出奇异区域判定条件,利用轨迹规划使机器人顺利通过奇异区域,提升了机器人工作效率。

关键词： 生物教师   对话框   坐标曲线图   留树保鲜   必备技能  

摘要： 每年高考结束后,很多热心的老师都会把高考试卷的图片版流传开来,让更多的老师能够在最短的时间内见到高考试卷的"尊容",及时研究高考试题。有时,很多一线老师更希望能够印刷给自己的学生,让基础年级的学生也能体验高考试题的魅力。但是,这样的图片版试卷中的图片由于拍摄的角度出现了变形,甚至还会有水印,印刷的效果极差,数据也不准确,影响分析,进而影响做题。笔者经过尝试,发现坐标曲线图的翻新其实也比

关键词： 云台   陀螺仪   寻北   方位跟踪  

摘要： 惯性导航系统以其完全自主、不依赖外部信息、隐蔽性好等优点广泛应用在航空、航天、航海等军民领域中。定向寻北系统作为惯性导航系统中的重要分支,其在军事及民用定向应用日渐广泛,系统级产品的研制方向朝着高精度、小体积、高可靠性的方向发展。本文以某型地面照射指引系统为背景,根据系统体积小、重量轻、便于单人携带的需求,结合地照系统工作流程,研制了一种小型双自由度方位跟踪云台系统,通过快速架设并启动,在短时间内完成寻北,并对目标进行实时跟踪,从而解析目标所定位的地理信息。根据研究背景提出的指标要求,对系统误差进行分析及分配,为传感器选型提供依据,确定采用动力调谐陀螺仪实现陀螺寻北功能;采用金属调平水泡代替传统加速度计调平补偿;采用高精度光电编码器和角度传感器作为方位轴和俯仰轴的敏感器件,实现高精度方位跟踪测量的技术路线。陀螺寻北方面设计了基于动力调谐陀螺仪的模拟伺服回路,包括前放电路、相敏解调、陷波、校正网络及功放电路等模块,对各部分传递函数进行理论推导和校正,保证陀螺具有优异的幅值裕度和相角裕度,实现陀螺稳定闭环控制和高精度测量。云台控制电路方面以dsPIC30F6014A单片机为控制核心,通过软件编程,实现动力调谐陀螺仪工作所需的7V16kHz激磁、三相马达驱动,光电编码器及俯仰传感器数据采集和数据通信。其中7V16kHz激磁电源摒弃所内复杂度较高分立器件式模拟电路设计方案;采用可编程正弦波发生器(ML2035)作为信号源的数字电路设计方案实现;三相马达电源采用LP624三相电机驱动芯片配合控制器进行时序控制的数字方式实现;采用高精度24位多通道AD7734芯片实现陀螺及传感器信号采集,代替了传统的复杂度较高的IF电路,从而实现了云台系统的小型化设计。在算法方面,开展了陀螺两位置算法和寻北跟踪测量算法的研究,充分考虑陀螺测量误差及跟踪测角误差,对各种误差因素进行分离,通过陀螺误差系数补偿、方位轴误差补偿、俯仰轴误差补偿等方法,提高了云台系统测量精度。陀螺寻北完成后,提出了方位跟踪测量方法,应用高精度光电编码器和角度传感器作为方位轴和俯仰轴的敏感器件,实现高精度方位跟踪测量。经测试和验证,系统惯性自主寻北时间小于3min,寻北精度小于0.6°且方位跟踪精度0.02°,俯仰跟踪精度0.1°,满足系统研制的要求。

关键词： 弛豫法   面积差弹性模型   数值计算   粘附   开口膜泡  

摘要： 粘附开口膜泡的研究在生物学及其医学方面具有重要的意义,以往人们对粘附闭合膜泡做了深入的研究,而Dong Ni等人研究了粘附开口膜泡的形状方程,并且找到了外凸的杯形解。梁月凤首次在双层耦合(BC)模型下对粘附开口膜泡的解及其相变进行了初步的研究。迄今对粘附开口膜泡的解集、解的性质和相变还没有系统的研究。因为面积差弹性(ADE)模型是目前普遍被接受为更接近真实膜泡的模型,因而在ADE模型下研究膜泡的相变行为无疑具有更加重要的意义。粘附开口膜泡相比自由开口膜泡多了一个粘附半径Rcon自由度,也就是粘附开口膜泡的Rcon和开口半径Ropen可以同时变化,属于多自由度问题,解的情况较复杂。ADE模型比BC模型多了一个参量即非局域面积差弹性模量kel(BC模型只是对应kel趋于无穷大时的极限情况),因而计算量大大增加。约化面积差Aa<1时为外凸的杯形膜泡,解相对清晰,而Aa>1时解相对较复杂,因此本文仅研究△a>1时解的情况。本文利用弛豫法先在BC模型下通过研究自由开口膜泡区分清楚各分支解的性质,研究表明开口膜泡存在四个分支解,用字母A、B、C、D表示。A分支解代表内凹杯形以及连续演化得到的颈部自交的哑铃形解,B分支解代表哑铃形解,C分支解代表内凹长椭球形及其连续演化得到的开口处自交的长椭球形解,D分支解代表外凸长椭球形解。然后将开口膜泡与闭合膜泡由BC模型到ADE模型的映射关系进行比较,发现由于多了Rope 自由度行为发生很大变化,闭合膜泡会出现吉布斯翼(Gibbs wing)行为,伴随不连续相变,而开口膜泡则在两个模型下均发生折叠,折叠点不同,并未出现“Gibbs wing”,对于同一分支解没有额外的不连续相变。以BC模型的研究为基础转到固定粘附系数系综(即系综I)进行研究,重点是研究ADE模型下膜泡的形状及其相变。首先研究约化能量与约化弛豫面积差△ao的关系,同时为了说明解的行为,研究了 BC模型下B分支解的行为;最后分别在两个模型下研究由于约化粘附系数ω引起的相变,发现随着ω的增大自由开口哑铃形膜泡连续相变到粘附开口哑铃形膜泡,继续增大ω发生不连续相变,变为内凹杯形,证明了粘附膜泡相对自由膜泡较稳定。本文首次提出了通过取消对△a的约束研究Ropen随Aa变化的方法辅助搜寻解,这种方法可以高效找到解。

关键词： 柔性铰链   等效刚度   非线性   有限元   隔振  

摘要： 在刚性机构中,运动副间隙带来的运动轨迹偏离和关节碰撞冲击等问题严重影响着机构的工作性能和使用寿命,尤其是刚性隔振机构,不仅无法正确阻隔外部激励,反而会将自身产生的二次冲击传递给机械系统。而采用柔性铰链替代传统运动副的柔顺机构则能有效地降低此方面的影响,正确地传递运动和力。其中,LET(Lamina emergent torsional)平面柔性铰链作为一种由二维金属薄板平面加工而成,实现三维运动的新型柔性铰链,在拥有传统柔性铰链优点的同时进一步简化了其结构。目前关于新型柔性铰链的研究多集中在单一转动副的实现及其结构性能优化,针对多自由度运动副仍采用传统柔性设计方法,尚未有构型轻便的多自由度铰链一体化解决方案。由此,有必要对多自由度的新型平面柔性铰链展开进一步的研究工作。本项研究工作在建立两种新型平面柔性铰链的基础上,围绕新铰链的构型设计、动态刚度及运动特性等问题展开了研究工作,并对其在6D0F并联隔振平台的应用进行了探讨,研究工作概况与取得的创新性结论如下:(1)针对平面柔性铰链多为单自由度转动副的问题,通过扩展LET铰链运动形式,提出了一种新型平面柔性虎克铰;通过铰链各方向柔度的分析比较,验证了柔性虎克铰的转动自由度;建立了铰链动态的等效刚度理论计算模型;通过大量重复仿真试验揭示了大变形下非线性的刚度变化规律,并借助Gauss拟合给出了近似理论公式;在分析了各结构参数对铰链刚度变化影响的基础上探讨了平面柔性虎克铰的工作性能特点,为铰链的进一步应用提供了理论依据。(2)为整合现有柔性球铰方案的自由度,以复合变形的方式实现原球铰工作方式,提出了一种等效球铰运动的平面柔性球铰;通过对螺旋薄片工作中各部分的变形情况进行分析,推导了铰链动态的等效刚度理论计算公式;针对铰链在不同工作角度下刚度值波动较大的情况,对铰链结构进行进一步优化,优化结果表明:采用3个螺旋薄片组合的新结构下,组合刚度值方差极小,各向刚度值稳定,与原球铰的工作特性最为接近。(3)将本研究所设计的两种平面柔性铰链引入Stewart平台形成新的6DOF并联隔振平台,采用ADAMS、ANSYS联合仿真对新平台进行刚柔耦合动力学分析,由新平台的传递率可知,新平台工作正常,所设计铰链在应用中的运动状态与理论分析一致,满足使用要求。同时对比了含运动副间隙的原刚性铰链,验证了平面柔性铰链在满足运动要求的同时能有效避免刚性铰链运动副间隙带来的传递率突变的影响。