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关键词： 搬运机器人   并联机器人   绳驱   轨迹规划   运动控制  

摘要： 高质量发展是全面建设社会主义现代化国家的首要任务,在全球制造业竞争日益激烈的背景下,制造业的高质量发展更是我国经济高质量发展的重中之重,唯有以创新驱动,才能实现制造业的转型升级,让我国高质量发展之路行稳致远。搬运机器人作为工业制造领域不可或缺的自动化设备,在各种自动化生产线上承担着重要角色,但传统搬运串联机器人存在高成本、承载能力弱、机构运动累积误差大等不足。本文依托于绳驱并联机构低成本、高承载能力、运动精度高等优点,将绳驱并联机构应用到重物搬运工况,设计了一款用于重物搬运的三自由度绳驱并联搬运机器人试验平台,并在点对点直线搬运工况下,对该平台进行轨迹跟踪运动控制。具体包括:首先,对搬运机器人工况需求进行分析,确定机构构型方案;并针对点状末端平台,对机构以及驱动器单元的逆运动学进行建模分析,在MATLAB仿真平台中对逆运动学建模结果进行指定轨迹仿真,仿真结果验证了逆运动学建模的正确性;采用牛顿迭代法对平台的正运动学建模进行迭代验证,以及通过蒙特卡洛法对平台静态工作空间进行仿真,为后续末端平台轨迹规划提供依据。其次,针对三自由度绳驱并联搬运机器人结构特点,基于微分平坦性原理对机构的微分平坦性进行证明;并最终选择绳索长度作为微分平坦输出,在特定轨迹下对该平台动力学模型进行仿真分析,仿真结果表明选择绳索作为平坦输出能够较为精确地求出控制输入量,能够为动力学轨迹规划及控制的优化提供一定思路。再次,在运动学和动力学建模的基础上,针对搬运工况,对工业机器人轨迹规划进行分析对比,通过MATLAB仿真平台对各轨迹进行仿真分析;并采用三段式点对点直线轨迹规划作为平台搬运轨迹;建立平台三维模型,导入ADAMS中,通过ADAMS/Cable模块对柔索单元进行建模,对三段式点对点直线搬运轨迹进行运动仿真验证,通过ADAMS运动仿真结果与MATLAB轨迹规划仿真对比,验证了该轨迹规划的正确性。最后,搭建试验样机平台进行轨迹跟踪运动控制试验;根据试验需求,对平台驱动单元、控制器等进行参数匹配以及环境设置;并基于d SPACE半物理仿真平台与MATLAB/Simulink平台,采用PID控制算法,搭建轨迹跟踪运动控制算法模型,在Control Desk上位机平台上验证各轨迹跟踪效果。试验结果显示各点对点直线轨迹规划正确,且在整个搬运工况下末端轨迹跟踪良好,本平台轨迹规划方案及轨迹跟踪算法得到验证。

关键词： 深沟球轴承   剥落缺陷   动力学模型   位移激励   振动特性  

摘要： 滚动轴承是旋转机械中的关键零部件之一,其运行状态影响机械设备的性能和可靠性。滚动轴承在变速、过载、润滑不良等工作条件下,滚动体与滚道之间的接触点发生疲劳、磨损等损伤,导致滚动体或滚道的金属层表面材料局部脱落,形成轴承局部剥落缺陷,进而引发轴承异常振动和声响;而对局部剥落缺陷滚动轴承进行动力学建模,可以掌握剥落缺陷诱发的滚动轴承振动机理及响应变化规律。 为揭示剥落缺陷诱发的深沟球轴承振动响应特性,考虑轴承各元件之间的赫兹接触力和摩擦力、轴和轴承座质量、弹流润滑油膜刚度等因素,建立了深沟球轴承系统多自由度动力学模型。分别建立了轴承各元件剥落缺陷时变位移激励模型,开展了外圈、内圈、滚动体、内圈-滚动体复合的剥落缺陷深沟球轴承动力学建模研究;探究了剥落滚动体经过滚道以及健康滚动体进入剥落滚道时,产生的接触变形与冲击激励对深沟球轴承振动响应的影响。研究滚动轴承的动力学响应特性,可为滚动轴承的故障诊断和性能退化评估提供一定的理论依据。主要研究内容如下: (1)探究了深沟球轴承各元件局部剥落缺陷引起的内部激励关系,运用半正弦函数分别建立了外圈、内圈、滚动体局部剥落缺陷时变位移激励模型;基于Hertz接触理论,计算了球轴承滚动体与滚道的接触刚度;通过对轴承剥落诱发的激励机理分析,计算了滚动轴承各元件剥落故障特征频率。 (2)采用集中质量对深沟球轴承系统进行建模,将轴承各元件之间的接触关系表征为弹簧-阻尼模型,建立了深沟球轴承系统多自由度动力学模型。引入轴承各元件剥落缺陷时变位移激励模型,分别建立了外圈、内圈、滚动体、内圈-滚动体复合的剥落缺陷状态下滚动体与滚道的接触变形关系。运用四阶龙格库塔法求解动力学模型,得到不同剥落缺陷类型的轴承振动模拟信号。 (3)针对不同剥落缺陷形式的动力学模型进行实验验证,采用最大相关峭度解卷积(maximum correlated kurtosis deconvolution,MCKD)的方法对冲击成分不清晰的实验信号进行降噪处理,通过对模拟信号和实验信号的时域和包络谱对比分析,验证了深沟球轴承系统多自由度动力学模型的有效性和准确性。 (4)分析了深沟球轴承在不同剥落尺寸和工况下的振动响应特性,随着剥落尺寸的增大、以及转速和载荷的增加,均会导致剥落缺陷滚动轴承的振动加剧,表明剥落程度以及转速和载荷都是影响滚动轴承冲击激励和振动幅度的重要因素。

关键词： 二自由度直升机   滑模控制   观测器   容错控制   神经网络  

摘要： 随着科学技术的发展,交通运输领域也朝着智能化的方向发展,在这发展的历程中,无人直升机扮演着重要的角色,承担着监控、信息收集与发布等任务,然而,无人直升机在执行任务的过程中,面临着复杂多变的环境因素,一旦发生故障,可能会造成不可挽回的影响。因此,如何保证无人直升机在故障情况下的飞行稳定性和安全性,对于提高直无人升机在交通运输领域的应用水平具有重要意义。本文以Quanser公司生产的二自由度直升机为研究对象,其执行器和传感器可能会由于设备的经常使用产生数值偏移的情况,针对该问题,设计了基于滑模控制算法的容错控制器。控制器使用观测器进行故障估计和实时补偿,以保证直升机在发生故障的情况下能够保持稳定的飞行姿态。本文的研究内容主要包括:(1)针对二自由度直升机的系统模型,利用第β-阶导数的黎曼-刘维尔定理和滑模控制方法,设计了一个有限时间分数阶滑模控制器。该控制器能够有效削弱滑模控制器的抖振作用,并保证系统状态在有限时间内到达平衡点。此外,针对二自由度直升机执行器发生故障的可能性,建立了执行器故障模型,并利用基于神经网络的自适应观测器来实时检测执行器的故障值,将所估计得到的故障值补偿到有限时间分数阶滑模控制器中。最后,在仿真和实验中验证了所设计的容错控制算法的有效性。(2)针对二自由度直升机的系统模型,提出了基于区间二型模糊滑模方法的控制策略。该控制策略结合了模糊逻辑控制算法和滑模控制算法,能够有效减少系统抖振。同时,考虑到二自由度直升机传感器发生故障的可能性,建立了传感器故障模型,并采用自适应观测器来估计传感器故障值。根据所估计得到的故障值,利用李雅普诺夫函数得到一个新的滑模面,以此对区间二型模糊滑模控制器进行重构,得到容错控制器。最后,在仿真和实验中验证了所设计的容错控制算法的有效性。

关键词： 软件定义网络   流量分类   多约束QoS   深度森林   拉格朗日松弛  

摘要： 软件定义网络(Software Defined Networking,SDN)是一种新型网络架构,通过数控分离的方式将控制平面与转发平面松耦合,利用网络可编程特点,灵活控制网络流量和路由调度。为了保障不同类型业务数据传输的网络服务质量(Quality of Service,QoS),本文在SDN架构下,提出基于流量分类的多约束QoS路由优化方法,主要工作内容和贡献如下:(1)针对不同业务类型差异化QoS保障问题,根据QoS需求将业务类型分为会话类、流媒体类、交互类、背景类,提出基于多粒度级联森林改进的分类模型(Improved multi-granularity cascade forest,Igc Forest)。首先,使用Z-score方法归一化处理数据集,使不同范围值的特征样本具有相同度量尺度;然后,通过A-SMOTE算法剔除数据集中的噪声和边缘样本;最后,改进gc Forest分类模型,在级联森林结构中引入基于分箱的置信筛分机制,使每层级联森林仅将置信度低的特征样本传递至下一层级,在多粒度扫描中引入随机采样法,降低转换特征的维度。仿真实验表明,Igc Forest分类模型能够完成不同业务类型的分类任务,相较随机森林、SVM、gc Forest、gc Forest分类模型,具有更高的分类准确率和性能。(2)针对不同业务类型的多约束QoS路由和数据传输差异化QoS保障问题,提出SDN中基于流量分类的多约束QoS双路径路由优化算法(Multi constraint QoS Dual path routing optimization algorithm based on Traffic classification in SDN,SDN-MQDT)。首先,将丢包率的对数和链路成功交付数据流所造成的开销作为代价函数,通过拉格朗日松弛算法将多种约束性能指标聚合到代价函数,简化多约束问题;其次,生成基于目的节点的有向无环图,减少路由计算时间,在数据平面通过QoS度量值对数据进行转发,实现QoS的差异化保障;最后,利用反向链路删减算法得到两条不相交的最优路径,保障数据在链路或节点发生故障时的传输。仿真实验表明,SDN-MQDT能够减少路由计算时间,满足不同业务类型QoS流满意度。(3)结合流量分类模型和多约束QoS路由算法对Ryu控制器进行二次开发,设计并实现授权未知数据传输、查看授权数据传输的流表、手动添加或删除流表三个功能的可视化网络管理系统。测试结果表明,该系统能够监控和管理未知数据授权后的传输路径,提高路由管理效率。

关键词： 数字孪生   虚实交互   状态监测   远程控制   并联机构  

摘要： 随着智能制造技术的快速发展,数字孪生作为实现智能制造的重要途径得到广泛的重视。目前数字孪生的研究成果主要集中在数字孪生技术的理论、概念和实现方法上,落地应用方面的研究成果较少。本文基于数字孪生技术,选取运动冗余(6+3)自由度混合并联机构作为研究对象,紧紧围绕数字孪生虚实交互技术的“以实控虚”和“以虚控实”两个部分,对数字孪生在制造业领域的落地应用进行探索和实践。本文的主要研究工作如下:首先,构建了运动冗余并联机构的数字孪生模型,并设计了人机交互环境。在对机构进行结构分析和运动学分析后,采用Solid Works、3d Max和Unity 3D联合建模的方式构建机构的高保真多维数字孪生模型,包括几何模型和物理模型。在此基础上,设计人性化的交互界面,得到了满足“四化四可”标准的三维可视化系统。为了实现模型的虚拟调试功能,并为“以实控虚”留下驱动接口,以及为“以虚控实”提供数据源,开发了虚拟控制系统,使模型能按照实际物理规律运动。其次,围绕数字孪生的本地“以实控虚”研究内容,在局域网环境下,构建了运动冗余并联机构的基于OPC UA的状态监测系统。从构建运动冗余并联机构的OPC UA信息模型、服务器搭建、服务器/客户端设计、数据处理和模型驱动五个方面展开研究,逐步解决了采集哪些数据、怎么采集数据、数据怎么传输到状态监测系统、怎样通过实时数据驱动虚拟模型几个问题,并开发了基于OPC UA的本地状态监测平台对系统进行验证和测试。最终实现了机构的本地数字孪生“以实控虚”。最后,围绕数字孪生的远程“以实控虚”和“以虚控实”研究内容,在跨局域网环境下,构建了运动冗余并联机构的远程监控系统。该系统采用Socket作为数据交换的通讯协议,参考本地状态监测系统的构建方法构建了机构远程的状态监测系统,实现了机构远程的“以实控虚”。为了实现机构的远程控制,研究了基于Socket的数据采集和传输机制,然后在实体机构运动控制系统的基础上进行二次开发,设计并开发远程控制功能模块,构建了机构的远程控制系统。最终使用模型实时运动数据作为控制指令控制实体机构映射虚拟模型的运动状态,实现了机构远程的“以虚控实”。并开发了基于Socket的远程监控平台对监控系统进行验证和测试,结果表明本文的数字孪生虚实交互系统具有良好的映射性能和实时性。

关键词： 自动割胶机   单自由度   结构设计   仿真分析   减重优化设计  

摘要： 天然橡胶是重要的战略物资,当前我国的天然橡胶产量无法满足国内需求,因此,扩大橡胶自主生产有着很大的必要性。随着橡胶树种植规模的扩大,逐渐突显了国内普遍采用的人工割胶方式的弊端和不足,为解决橡胶产业的劳动力不足、生产成本高、生产可靠性低以及减少橡胶产业的需求缺口等问题,自动割胶机的应用成为必然趋势。与现有多电机控制割胶机对比,单自由度新型自动割胶机在降低成本和提高使用可靠性方面具有优势。本文以TRIZ创新设计理论为辅助工具,得出单自由度自动割胶机的需求和设计方向,对整机进行了结构设计并进行了运动学仿真和减重优化。具体研究内容如下:(1)对橡胶机的使用环境进行了分析,确定了割胶角度、割胶深度和耗皮量等数据,对运动要求和设计参数进行总结。运用TRIZ理论对自动割胶机进行系统分析,得出自动割胶机的发展趋势和设计方向,而后确定了系统的组成,结合割胶机割胶作业的实际工作要求,合理选择了割胶机的驱动方式和传动方式,为自动割胶机整机设计与仿真提供了基础。(2)根据橡胶树的割胶特点,对自动割胶机进行了整机设计,针对割胶运动的要求对关键结构进行设计和割胶机动力结构部分进行选型和计算,通过三维建模软件Solid Works对设计结构进行干涉检验,并利用有限元方法验证割胶机刀头结构满足强度要求。利用ADAMS软件进行虚拟样机仿真分析,通过分析各构件在作业中的实际运动情况,添加相应的运动副、驱动、载荷等验证设计方案的正确性,最终得到自动割胶机机的运动学仿真数据,验证了自动割胶机设计的合理性。(3)最后,可进行减重设计的构件在自动割胶机中经过质量比较和可行性确定后,采用拓扑优化、惩罚函数法等方法进行减重设计。对于进给平台,以变密度法进行优化,结合模型合理性和可制造性,再二次重建优化后的模型,并对其进行有限元静力学分析,验证其满足强度和刚度使用要求;利用惩罚函数法对齿轮传动装置进行优化,拟选出合适的传动比。最终割胶机的质量减轻0.534kg,占割胶机质量11.56%,在大规模制造使用时下具有重要意义。从仿真分析结果看,本文设计的自动割胶机具有良好的割胶性能,降低了割胶的劳动强度,经过减重优化后可进一步降低制造成本,提高了橡胶的市场竞争力。

关键词： 永磁同步电机   伺服控制系统   Matlab/Simulink   MySQL  

摘要： 随着航空航天技术的不断进步,离心机设备已成为航空探索所必须的标准化精密仪器设备。本文以模拟多自由度高G值航空航天环境的动物离心机为研究对象,针对其当前设备运行不稳定、缺乏实验数据管理系统等局限进行优化设计。主要研究内容如下:(1)依据多自由度动物离心机机械结构研究和运动情况理论分析,确定控制系统控要求,从而进一步确定动物离心机总体控制系统的优化方案。基于“PC+控制器”主从站式控制架构,对动物离心机控制系统整体结构进行划分,实现对中心主轴系统和多自由度载物台系统两控制回路的数字控制,完成动物离心机的多自由度复合运动。(2)动物离心机控制系统采用软硬件协同优化的方式,对系统硬件电路进行强弱电分部设计,对系统软件进行模块化设计。其中,针对动物离心机的运行速度设计PI算法,以实现对中心主轴电机的三闭环负反馈控制。(3)基于MySQL对多自由度动物离心机建立数据管理系统,实现对实验数据的集中存储和科学管理。使用MVC软件开发模型实现数据存储、数据抽调及数据的安全管理,并从View、Control、Dao三个方面描述其实现逻辑。(4)使用Matlab软件,基于矢量控制理论结合PI算法对中心主轴控制系统进行仿真,在Simulink模块中搭建三环交流伺服控制系统仿真,并连接相应示波器模块显示仿真结果,验证中心主轴控制系统优化设计方案的合理性。对动物离心机控制系统进行安装、运行调试,验证动物离心机优化设计方案是否具有可行性,各项关键指标是否满足要求。通过完成上述研究内容,本文优化设计出一种运行稳定且具有数据管理系统的多自由度动物离心机设备,其各部分方案设计合理并满足设备优化要求。多自由度动物离心机适用于航空航天医学高G值加载实验,用于研究动物各生理系统适应多自由度高G值生理学训练,为研究人体G值加速阈值理论提供支撑。

关键词： 运动控制器   六自由度并联平台   Zynq处理器   嵌入式系统  

摘要： 六自由度并联平台在航空航天、海浪模拟、VR体感等领域都有着广泛的应用。控制器作为六自由度并联平台系统的核心设备，在其中承担着运动学算法实现、数据交互和平台驱动部件控制等重要作用。目前六自由度并联平台系统中的控制器一般由DSP或工控机及其外接板卡组成，存在系统复杂、稳定性和控制精度较低的问题。针对这些问题，本文基于Zynq控制器设计并实现了六自由度并联平台控制方案(控制架构、控制系统)，在控制器中利用软硬件协同实现了六自由度并联平台运动学正反解算法及变论域模糊PID(Proportional-Integral-Derivative)控制算法。本文主要工作如下:　　1.设计并优化了六自由度并联平台运动学正反解算法。正解算法部分，本文提出了一种基于BP(BackPropagation)神经网络提供初值的Newton迭代求解法，并通过LM(Levenberg-Marquardt)算法优化BP神经网络的反向传播过程。反解算法部分，在Zynq处理器中实现了反解算法并通过HLS(High-LevelSyn-thesis)优化了反解算法中的坐标变换部分，提升了反解算法的实时运算速度。　　2.设计并实现了变论域模糊PID控制算法。使用变论域模糊PID控制算法,基于模糊推理自适应更新PID控制器参数，通过设计的论域伸缩因子动态调整误差论域，提升了模糊推理中隶属度函数的分辨率，并且通过测试实验证明了算法在单轴平台上阶跃响应和正弦轨迹的控制效果。　　3.基于Zynq处理器设计并实现了六自由度并联平台控制方案。在Zynq处理器中利用软硬件协同设计并实现了液压杆长度采集模块、PID控制模块、变论域模糊推理模块、运动学解算模块、电液伺服阀驱动模块、DMA数据传输模块、LwIP以太网数据传输模块和参数配置模块，并且对其中的接口驱动和运算模块进行了RTL仿真。　　4.对六自由度并联平台控制器进行实机测试。本文所设计的控制器在空间螺旋曲线实验中三轴位移均方根百分比误差分别为4.13％,2.84％,0.04％;在三轴转角实验中均方根百分比误差分别为0.56％,0.70％,0.92％;在随机海浪波形实验中均方根误差为1.23mm。上述实验中的波形相关系数均可达到0.999以上，并且在控制精度指标优于工控机控制方案的情况下，静止自由度的扰动值小于工控机控制方案。