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关键词： 振动台   模态解耦控制   工作频宽   跟踪精度  

摘要： 振动台作为振动环境模拟试验平台，能够真实模拟实际的振动环境以检测产品的质量和性能，广泛应用于地震工程、航空航天、汽车、机械制造、医疗和军事等领域。其中多轴振动台作为多输入多输出系统，各自由度间的相互耦合将会导致振动台在控制过程中产生非期望的输出，从而影响振动台整体的控制性能。因此本文以液压冗余六自由度振动台为研究对象，着重研究振动台的解耦控制，主要研究内容如下：　　（1）设计了一种液压冗余六自由度振动台，并对动平台、反力墙、球铰以及液压作动器等进行了有限元分析与校核验算，同时对实验室原有泵站进行了改造，使其满足振动台系统的使用要求。　　（2）完成了振动台的运动学与动力学分析，基于零位线性化得到了振动台的自由度合成与分解矩阵，并完成了参数化过程;着重分析了振动台在负载偏心情况下的动力学耦合现象，建立了带载情况下的动力学耦合模型。　　（3）根据动力学耦合模型，提出了模态解耦控制策略，并设计了相应的模态空间三状态控制器;基于MATLAB/Simulink和SimMechanics工具箱搭建了振动台的仿真模型，对三状态控制和模态解耦控制进行了仿真研究，研究结果表明：三状态控制能够有效拓展振动台的工作频宽，提高系统的跟踪精度;振动台在经过模态解耦控制之后各自由度的解耦率均达到了90%以上，解耦效果显著。　　（4）基于 xPC Target 快速原型开发技术对振动台的实验控制系统进行了搭建，考虑到实际振动台系统的质量阵和刚度阵无法精确测定，提出了一种基于实验的模态矩阵确认方法;随后对振动台进行了相关实验验证，研究结果表明：模态解耦控制能够有效的降低系统自由度之间的耦合，并且在低频段的解耦效果更好，耦合幅值平均降低了一半左右，验证了该控制策略的有效性。

关键词： 经济自由度   电子通信设备制造业   出口效率  

摘要： 自“中国制造2025”战略规划的提出以及十九大报告中指出的新时期制造业发展的目标在于推动产业高质量发展,打造制造业企业对外贸易发展新格局对于创造中国“智”造的品牌具有重要意义。电子及通信设备制造业作为制造业中的支柱产业,随着我国国内经济结构的转型升级与发展方式的转变,在国际市场上所占的份额和比重也在急剧提升。一方面,当前全球区域经济合作日益紧密,伴随着《区域全面经济伙伴关系协定》的正式签署,除了过去向英美法国等发达国家展开贸易,新兴的RCEP成员国也为我国开拓了新的市场区域。另一方面,外部市场环境也需要从新的角度探索贸易合作的可能性,过往一些国家限制性的贸易保护施例如关税与非关税壁垒严重压缩了本国的利润空间,从制度角度出发阐释对出口流量的影响越来越成为当前研究的主流与焦点,经济自由度作为制度因素中的重要指标,能够为研究新时期电子通信设备制造业出口发展提供新思路。本文选取以传统出口区域为代表的英美法国和以新兴区域为代表的RCEP成员国作为研究对象,探索这些国家经济自由度水平对我国电子及通信设备制造业出口的影响。研究主要内容如下:(1)理论方面将经济自由度的成本变量引入至CES函数,结果表明,改善经济自由度水平较降低关税对于促进贸易成本的降低作用更显著;(2)基于文献研究经济自由度的主要指标对出口贸易的影响路径和作用机理;(3)从出口特点和流向方面分析我国电子通信设备制造业整体出口现状,并提出影响未来出口增长的阻碍因素;(4)选取涉及经济自由度的4个一级指标与10个二级指标运用主成分分析法测算包括中国在内的17个样本国家经济自由度水平,以此为依据运用实证分析法讨论经济自由度水平及经济水平、人口、税收等因素对我国电子通信设备制造业出口的影响;(5)根据实证分析结果,从区域一体化、市场、政府支出、监管、制度等层面提出针对性建议。经济自由度分别从法制环境、政府规模、市场监管和市场开放四个维度反映了东道国的制度环境,从经济自由度的角度切入,能为推动电子通信设备制造业转型升级以及加强国际产能合作、实现互利共赢提供发展新思路,对于促进产业国际化进程以及把握行业未来的发展方向有重要的意义。

关键词： 干扰对齐   多小区多用户干扰广播信道模型   封闭解   自由度  

摘要： 未来移动通信面临在低时延、高速率以及更高传输质量等挑战。为了解决这一难题,大规模多输入多输出(Massive Multi-Input Multiple-Output,MIMO)、同时同频全双工、正交频分复用、超密集异构蜂窝组网等被认为是未来移动通信系统中具有巨大潜力的关键技术。然而,在MIMO通信系统下,随着用户数的增加,干扰问题将愈加严重。干扰的出现会导致降低系统通信容量,因此,干扰管理对未来无线通信系统至关重要。在干扰管理相关技术中,干扰对齐技术能够有效的消除干扰,是干扰管理中一种最具有前景的技术。然而,IA技术在未来通信网络中仍存在很多的技术问题,特别是在干扰对齐算法的低复杂度求解。为此,本文对该问题进行调研,并对如下关键点进行了重点研究:(1)首先解决小区间干扰问题,即外层预编码矩阵和滤波矩阵求解。本文主要研究多小区多用户MIMO干扰广播信道模型(Interference Broadcast Channel,IFBC)下的低复杂度干扰对齐求解。在多小区多用户干扰广播信道模型中,每个用户受到小区间干扰(Inter-cell Interference,ICI),即来自其他基站的干扰。本文先将多小区多用户MIMO IFBC模型转换成多用户干扰信道模型(Interference Channel,IC),随后通过基于对齐链的干扰对齐算法求解该多用户IC模型的预编码矩阵和滤波就矩阵。并且对基于对齐链的干扰对齐算法做出相应修改,推导出收发天线数和自由度之间的关系。随后计算出每个用户在消除小区间干扰后剩余可用的信号空间。(2)在干扰广播信道模型中,用户不仅仅受到小区间干扰,并且还受到用户间干扰(Inter-user Interference,IUI),针对同小区内用户间的相互干扰问题,设计了内层预编码矩阵和滤波矩阵。外层预编码矩阵和滤波矩阵求解完成后,系统模型由多小区多用户IFBC模型变成多个单小区多用户IFBC模型。并且信道矩阵在外层预编码矩阵和滤波矩阵作用下发生了改变。针对该单小区多用户IFBC模型,通过随机选择滤波矩阵求解预编码矩阵,从而消除用户间干扰。随后推导出该封闭式干扰对齐算法可实现的自由度,并与其他算法进行比较。通过仿真验证,证明了该算法可实现系统和速率的有效性。

关键词： 七自由度机械臂   张拉整体关节   运动学   刚度调节   实时控制  

摘要： 随着社会经济的不断发展和生产方式的不断变革，机器人技术也在蓬勃发展的过程中，目前七自由度串联机械臂相比六自由度串联机械臂，具有工作空间更大、避障能力更强、环境适应性更好等优点，而传统的七自由度串联机械臂多采用转动关节，其负载自重比小，能源利用率低，长时间工作存在关节磨损等问题。　　本文提出一种采用张拉整体关节代替转动关节的结构，张拉整体关节具有低惯量、高效率、抗冲击等特点，可以结合七自由度串联机械臂设计实现较强的避障能力，较大的工作空间，较好的抗冲击和抗环境扰动能力，达到刚度可调、轻便节能低成本的目的，具有重要的研究意义。　　本文首先根据人体手臂的自由度特征完成七自由度张拉整体关节机械臂的自由度布置，然后设计一种三自由度张拉整体关节，使用此关节代替七自由度机械臂中的肩关节和腕关节，肘关节仍然采用转动关节的设计方式，从而得到基于张拉整体关节的七自由度机械臂，确定各关节的结构参数。　　在此基础上，首先通过使用D-H参数法和引入臂角φ参数，利用关节之间的复合关系，建立七自由度张拉整体关节机械臂的运动学模型。然后根据结构设计和绳索驱动的特点确定限制条件，完成肩关节和腕关节的姿态空间分析，以此为基础完成整体机械臂的工作空间分析。为后文的运动控制奠定理论基础。　　随后以机械臂张拉肩关节作为主要研究对象，由于其冗余绳驱特性，可以通过调整主动绳上的张力对机构的主动刚度进行调节。在此基础上，搭建机械臂张拉肩关节的实验样机，完成实验样机的器件选型，搭建伺服电机的实时控制系统，对机械臂张拉肩关节进行刚度控制实验，验证其控制机构刚度的可行性。　　最后，利用仿真软件完成整体结构的动力学仿真，包括机械臂的位置控制和轨迹控制。在此基础上，搭建七自由度张拉整体关节机械臂的实验样机，完成实验样机的器件选型，搭建步进电机的实时控制系统，完成机械臂的位置控制、轨迹控制的实验验证，并且利用实验证明其自运动本体避障、避关节限位的优势。

关键词： 控制系统   冗余机器人   避障路径规划   TwinCAT3   EtherCAT  

摘要： 本文以七自由度协作机器人TB7-R3为研究对象,设计了基于Ether CAT总线技术以及Twin CAT3软件平台的开放式机器人控制系统,并进行相关运动控制及避障路径规划算法研究。主要完成的工作如下:(1)自主研发的机器人控制系统以Ether CAT总线技术为基础,将Twin CAT3软件与小型工控机作为Ether CAT主站,并将TB7-R3的各关节模组作为Ether CAT从站,从而实现将PC平台强大的运算能力与Twin CAT3软件中的PLC模块相结合,使其成为一台性能优异的机器人运动控制器,最后再配合人机交互界面即可实现从系统层运动规划到硬件层关节驱动的实时控制。(2)利用标准D-H法建立机器人运动学模型,利用牛顿-拉弗森法迭代计算出逆运动学的数值解,并利用阻尼最小二乘法回避奇异位姿;采用牛顿-欧拉法建立机器人动力学模型,并从中提取重力项。最后利用MATLAB机器人工具箱分别对运动学以及动力学模型进行仿真实验以验证其正确性。(3)在离散碰撞检测算法以及包围盒算法的基础之上,提出一种基于模型简化思想的碰撞检测算法;通过将Bi-RRT算法的双向扩展策略与RRT*算法的渐进优化策略相结合的方式对传统RRT算法进行改进,并通过引入人工势场法中引力场的思想,引导随机树朝着目标点的方向生长,从而进一步降低路径扩展的随机性,提高了路径规划效率;最后采用二阶B样条插值算法以及删除冗余节点的方式对路径进行平滑处理,进而提高路径规划的质量。(4)基于自主设计的开放式机器人控制系统进行了笛卡尔空间轨迹规划实验、拖动示教实验以及避障路径规划实验,对所设计控制系统及相关控制算法进行了验证。

关键词： 哈密顿系统   规范型   稳定性   刚体动力学   姿态运动  

摘要： 在航天器姿态动力学与控制非线性问题的研究中姿态稳定性一直是一个重要的研究课题。目前的研究主要讨论无力矩状态或圆轨道情形,鲜有椭圆轨道航天器姿态稳定性的研究。 在军事侦察、通信覆盖和深空探测等特殊航天任务中需要将航天器运行至偏心率较大的椭圆轨道。椭圆轨道航天器的扰动运动微分方程具有强非线性和时变特点,属于非自治系统。针对一般的非自治系统,目前还没有构造李雅普诺夫函数的有效方法。通过时间与真近点角之间的时-空变换可将此类时域内的一般非自治系统变换为真近点角空间内以2π为周期的哈密顿系统。从而可基于哈密顿系统的规范型和KAM理论的成果解决其稳定性问题。但计算规范型系数的经典方法计算效率不高,很难应用于多自由度周期系统。 本文的主要研究目的是将哈密顿系统稳定性理论推广至多自由度情形,为多自由度周期哈密顿系统的稳定性分析提供高效方法,并将其应用于椭圆轨道航天器姿态稳定性的研究。本文的主要研究内容为: 首先,以近圆轨道航天器为背景,基于哈密顿系统规范型理论和李雅普诺夫第一法的思想研究了含小参数的多自由度线性周期哈密顿系统的稳定性。由辛空间的反对称性在复数域内证明了线性周期哈密顿系统可分解为共振和非共振系统的线性叠加。通过分析非共振系统解的结构,证明了非共振系统稳定,从而系统的稳定性取决于共振系统。采用多尺度法分析系统的平凡解邻域内共振系统积分曲线的收敛性建立了共振系统失稳的解析准则。基于理论研究成果提出了分析此类多自由度线性周期哈密顿系统稳定性的高效方法。 其次,以任意偏心率椭圆轨道航天器为背景,研究了高效地计算多自由度非线性周期哈密顿函数规范型系数的相关理论问题。基于雅克比定理和辛几何的基本理论证明了对于多自由度非线性周期哈密顿系统存在从平衡点的邻域到其自身的辛映射。给出了辛映射的规范型,利用辛映射规范型的系数将哈密顿-雅克比方程的初值问题归结为边值问题,并基于试函数法得到了其解析解。利用该解析解建立了规范型哈密顿函数的系数与辛映射系数之间显式的解析映射关系,从而极大的提高了计算多自由度周期哈密顿函数规范型系数的效率的同时保证了足够的计算精度。 此外,将上述哈密顿系统稳定性理论的相关研究成果应用于椭圆轨道航天器姿态稳定性分析。该方法的独特优势在于,哈密顿力学体系下无需显式的写出扰动运动微分方程的具体形式,而是基于哈密顿系统规范型理论直接对哈密顿函数规范化,能够在保持系统动力学性质和辛结构的前提下将其简化。从而可直接基于KAM理论的成果研究稳定性,同时有利于揭示影响系统稳定性的关键参数。 作为本文理论成果的应用,研究了椭圆轨道上陀螺航天器圆柱进动和共振旋转的稳定性。揭示了陀螺力矩、轨道偏心率和系统质量分布等对其稳定性的影响规律。圆柱进动是系统的对称轴垂直于轨道平面的一类规则进动。而共振旋转是系统的质心完成两次轨道运动过程中系统绕其质心在轨道平面内相对惯性空间完成一次旋转的平面周期运动。圆柱进动的稳定性分析结果表明,椭圆轨道中即使沿对称轴方向的陀螺力矩足够大的情况下也可导致圆柱进动失稳,但存在四阶共振时足够大的陀螺力矩可使其稳定。轨道偏心率的增大不利于圆柱进动的稳定性,而系统的惯量椭球越接近球体越有利于圆柱进动的稳定性。共振旋转的稳定性分析结果表明,垂直于轨道平面方向的陀螺力矩并不能扩大共振旋转的一次近似稳定域,甚至可导致共振旋转失稳。但对于非线性系统陀螺力矩可使共振旋转稳定,也可导致其失稳。陀螺力矩对共振旋转稳定性的影响取决于陀螺力矩的大小、方向以及轨道偏心率的大小。 最后,以椭圆轨道上运行的挠性联结组合航天器为背景,研究了联结刚度和系统质量分布等参数对椭圆轨道航天器姿态稳定性的影响规律。研究结果表明,系统存在水星共振和共振旋转两类周期运动,并确定了周期运动存在的必要条件。水星共振是系统质心两次轨道运动过程中系统绕其质心在轨道平面内相对惯性空间完成三次旋转的平面周期运动。稳定性分析结果表明,随着联结刚度的增大一次近似稳定域扩大。在一次近似稳定域内存在一些三阶和四阶共振时周期运动失稳,而非共振情形和其它共振情形中周期运动稳定。 本文的研究成果对多自由度周期哈密顿系统的稳定性分析提供了高效的规范化方法,为多自由度哈密顿系统稳定性理论的研究做出了有益的尝试。此外,揭示了轨道偏心率、陀螺力矩、系统的质量分布以及联结刚度等参数对椭圆轨道航天器姿态稳定性的影响规律,对航天器设计和姿态控制具有潜在的应用价值。

关键词： 机械臂   运动学分析   神经网络   RRT算法   避障路径规划  

摘要： 随着科技的不断发展和“中国制造2025”计划的提出,机械臂作为机器人领域的一个重要分支,在社会生产的各个方面得到了广泛应用,其工作环境也随着应用的不断拓宽而逐渐趋于复杂,因此在机械臂的工作空间中快速规划出一条不与周围障碍物发生碰撞的优良路径显得愈发重要。为此,本文以六自由度机械臂PUMA560为研究对象,开展了避障路径规划的相关研究,主要研究内容如下:(1)机械臂的运动学建模与分析。根据标准D-H参数法建立PUMA560的运动学模型,并在此基础上用解析法推导其正、逆运动学方程。针对传统逆运动学求解方法求解速度较慢且容易出现多解的问题,提出一种利用粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)优化长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)隐藏层神经单元数和学习率的机械臂逆运动学求解模型,并通过仿真实验验证模型性能。(2)机械臂与障碍物的碰撞检测设计。简要分析并指出常见的几种层次包络盒碰撞检测法各自的优缺点,结合本文研究中障碍物为具体信息已提前标定的静态障碍物且机械臂底座位置固定的实验场景,进行碰撞检测设计,采用圆柱体包络法和包围球法分别把机械臂连杆和其工作空间中的障碍物包络为圆柱体和球体。(3)改进快速搜索随机树(Rapidly-exploring Random Tree,RRT)算法。针对影响传统RRT算法路径规划效率的因素对其进行多策略融合改进,通过启发式目标偏向策略和引力势场使随机树偏向目标点方向扩展,提出一种自适应步长策略加快扩展速度,并对规划出的路径进行优化处理。分别在二维空间和三维空间进行本文改进算法与相关算法的仿真对比实验,验证本文改进算法的路径规划效果。(4)机械臂避障路径规划仿真实验。在不同复杂程度的障碍物空间分别基于本文改进算法和相关算法,进行多组PUMA560机械臂的避障路径规划仿真对比实验并分析过程指标,验证本文改进算法在机械臂避障路径规划领域的效果。

关键词： 机器人   刀具路径   曲率最优   PH样条   全局样条   冗余角光顺   实时插值  

摘要： 六自由度机器人凭借成本低,灵活性高,工作空间大等优点,被越来越多的应用到机械加工领域。由于计算机辅助制造软件(CAM)软件生成的机器人运动直线命令在拐角处的低阶连续性,导致机器人加工精度和效率的下降。本文对六自由度机器人刀具路径光顺与冗余自由度优化进行了研究。首先,针对微小线段构成的机器人线性命令在拐角处的切线不连续性问题,提出了基于构造非对称PH(Pythagorean–Hodograph)样条的局部光顺方法。其次,为解决现有的机器人冗余自由度规划方法未考虑整体路径的平滑性问题,提出了基于全局PH样条插值和多项式最优路径规划的机器人关节运动平滑方法。最终,在本文提出的方法基础上进行了软件开发与应用验证。本文主要研究内容和创新成果如下:1、机器人小线段路径非对称PH样条光顺。为了获得曲率更加平滑的刀具路径,本文提出了能充分利用光顺误差容许值的局部光顺方法。按照最大光顺误差容许值构建了拐角样条,并通过设计路径重叠长度计算构造了非对称样条曲线,从而解决了现有的对称样条方法的样条为避免样条重叠而过度缩短问题。实验结果表明,相比于现有的方法,本文所提出的非对称光顺方法在保证更低的跟踪误差下,降低小线段路径曲率极值46%,提高运动效率8.7%。2、基于全局PH样条的实时路径插值。为实现机器人加工路径的实时插值,分别对刀尖位置与刀具方向构建了C2连续的PH样条。通过引入四元数函数,实现了分段五次PH样条曲线的C2连续。实验结果表明,本文提出的样条插值方法可以实现机器人轨迹的曲率连续,且相对于现有路径光顺和插值方法可以在较低时间消耗下完成样条构建与弧长计算,足以实时执行。3、基于最优关节运动的机器人冗余角光顺。对机器人运动学模型进行建模,采用差分进化搜索算法获得了最小关节位移量冗余角初值。通过建立冗余角与刀尖位移的函数关系,实现了冗余角随着刀尖位移变化的全局平滑性。为保证关节运动平稳性,速度规划考虑了机器人关节运动速度和加速度约束。实验结果表明,相比于已有的方法,本文中的方法获得了更加平滑的关节运动,并缩短关节运动时间14%。4、软件开发与应用。在本文提出的光顺与加减速规划算法基础上,开发了机器人路径样条光顺与加减速优化软件,给用户提供了机器人路径光顺、加减速控制等功能模块,实现了机器人路径的高阶平滑和考虑关节动力学约束的加减速规划。最终,在UR10机器人平台进行磨抛加工验证,充分发挥全局样条和局部样条的优点对叶片加工路径进行了光顺。实验结果表明,本文提出的方法相比于已有的方法获得了更加平滑的机器人关节命令,以及更低的跟踪控制误差。

关键词： 机器人抓取   目标分割   三维重建   抓取预测  

摘要： 机器人抓取是当前的一个主要研究方向，随着深度学习的快速发展目标检测技术被应用于机器人抓取中。目前大多机器人抓取只适应于特定场景下的固定操作任务，面对不同类型的物体混杂的场景，识别和抓取困难。为了提高机器人抓取技术在的混杂场景中的应用，本文结合深度学习方法进行定位分割目标，对目标点云模型重建和优化模型，在抓取姿态预测策略下生成抓取姿态，选择最优姿态完成机器人自主抓取。主要内容如下：　　首先，在机器人抓取中，面向机器人抓取任务设计了机器人抓取系统，包含了机器人抓取中的主要技术特点和抓取系统框架。分析了视觉信息采集和空间到像素再到空间转换关系，对实际硬件进行了标定和配准。定义了机器人抓取的表示方法，对机器人抓取任务进行序列化分解和分析了机器人移动中路径的规划方法。　　其次，为解决机器人抓取的第一步识别问题，基于深度学习和残差网络结构的特点设计了一个抓取可行性识别网络，在Cornell、Jacquard和自建的数据集下训练，网络模型能够在单目标物体和多目标物体混杂场景中较好预测抓取可行性。通过抓取可行性图定位最大抓取可行性像素点，结合分水岭方法在图像中分割目标物体，并从原始点云中分割出目标物体的点云。本文所搭建的模型能够在单目标和多目标混杂场景中较快的定位物体，也能够定位未学习过的物体。　　此外，针对目标点云的无序和设备采集噪声大等问题，采用区域生长算法对目标点云进行快速重建，在保留原始点信息的情况下建立点之间的联系，采用区域平滑和表面平滑的方式降低点云噪声，减小大网格面的棱角，同时增加网格面的点数量，提高模型精度度，以还原完整度更高的模型。　　再者，本文提出基于面匹配的抓取预测策略，通过对目标物体进行面分割，计算各面的法线，在设定阈值下匹配法线的对立面组成可能抓取面对，按照实际抓取的深度宽度、抓取取向和抓取碰撞等建立的抓取预测策略来约束抓取点采样和抓取姿态计算，最终选择最佳的抓取姿态作为机器人末端执行的抓取位姿。　　最终，搭建了硬件平台和软件系统组成的机器人抓取平台，在抓取平台验证了目标分割和抓取预测的可行性，并完成机器人抓取实验。在抓取平台分别进行单目标物体和多目标物体的混杂场景抓取实验，抓取成功率分别为95.7%和94.0%，结果验证了方法的有效性和可行性。