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关键词： 精密定位平台   柔顺机构   静动力学特性   多目标优化   XYZ三自由度  

摘要： 近年来,随着超精密加工的急速发展,微纳米三坐标测量机作为一种在三维方向上都达到微纳米级别精度的优质测量工具,被广泛应用到微型产品的测量中。其中可提供纳米级精度的运动的基于柔顺机构的精密定位平台,已成为微纳米测量定位系统的关键设备。目前已有的空间三自由度精密定位平台,结构不够紧凑,导致其在微型测量机中具有应用限制。本文针对该问题,设计了一种更为紧凑的XYZ空间三自由度串联精密定位平台。具体研究内容包括:(1)根据应用场景及设计要求,设计单自由度桥式柔顺定位平台。通过建立双平行四杆机构的性能评价模型,验证考虑铰链的剪切作用对模型精度的影响。提出考虑铰链剪切作用的基于卡氏第二定理的桥式柔顺定位平台性能评价模型,分析设计平台的输入输出刚度、最大应力、位移放大比和固有频率,通过有限元仿真验证该性能评价模型的可行性。(2)通过提出的性能评价模型,分析平台结构尺寸对其性能的影响,提出单自由度平台的多目标优化模型。通过遗传算法求解得到具有高位移放大比和高固频的单自由度定位平台,通过有限元仿真进一步验证该性能评价模型的有效性。加工定位平台,搭建实验系统进行工作行程、位移分辨、重复定位及扫频振动等实验测试。实验结果表明,多目标优化后的平台具有约80μm的输出位移,100nm以下的重复定位精度以及1k Hz以上的1阶固频,满足空间三自由度平台串联组装单元的性能要求。(3)根据选用的宏动平台,采用优化后的单自由度平台,串联组装搭建XYZ空间三自由度精密定位平台。通过有限元仿真分析平台各自由度的性能指标,搭建实验系统对平台各自由度静/动力学性能进行实验测试。实验结果表明,空间定位平台的总体尺寸为48.2mm×51.2mm×40.1mm,其工作空间、定位精度及动态性能皆满足本文的设计要求。

关键词： 能量采集   压电俘能器   工作频宽   多自由度联动   共振  

摘要： 为满足无线传感设备、健康监测、家居安全监测等领域对自供电的需求,以降低化学燃料对环境的污染,符合可持续发展的理念。目前在低频振动环境中俘获能量是当前能量采集的热门研究领域。当外界激励达到一定程度时,使固有频率和外界激振频率相同,压电俘能器产生较宽的工作带宽,采用非线性磁力来提高工作频带的带宽是一种最可靠的手段。本论文从悬臂梁式的压电俘能器出发,提出一种新型压电俘能器装置,实现自供电。设计俘能器的创新点在于:可以实现多自由度联动特性和时变势能阱。首先,通过阅读国内外研究发展现状,提出一种多自由度联动特性的压电俘能器装置。多自度压电俘能器结构简单、质量轻、可产生较大输出电压及功率等特点。以单自由度和二自由度为结构基础,本论文建立了多自由度联动压电俘能器的非线性磁力模型。根据振动相关理论以及压电材料的特性分别建立三个压电悬臂梁的机电耦合方程、动能和势能的数学模型。然后,通过Matlab软件进行了压电俘能器的仿真分析。分别研究了三个压电悬臂梁的势能模型,分析了三个压电悬臂梁的势能阱的变化。同时也研究了多自由度联动压电悬臂梁的幅频特性分析,其中包括输出电压、输出位移、相图。最后,通过实验验证的方法,对压电俘能器的参数进行了研究。研究了单梁压电俘能器幅频特性、双梁压电悬臂梁的幅频特性,分析结果可知,压电悬臂梁的工作频带较窄,当激振源的激振频率偏离固有频率时,电压下降。在此基础上建立了多自由度压电俘能器,多自由度压电俘能器提高了其工作频带的带宽以及输出功率等特性。结果表明,为了研究压电俘能器的特性分析,分别做了不同激励水平下、不同纵向距离下、不同横向距离下、不同纵向磁铁质量下的正反向扫频曲线、定频曲线、不同功率特征曲线。随着外部激励水平的增加,产生的均方电压升高。随着横向距离、纵向距离的增加,产生的均方电压降低。随着纵向磁铁质量的增加,总功率不断提高。

关键词： 六自由度机械臂   路径规划   A*   RRT   强化学习   DQN  

摘要： 在现代工业生产、医疗手术、科学研究等领域,使用六自由度机械臂来完成高重复性、高危险性以及高精度性的任务已经成为一种趋势。不仅如此,在机器人技术的发展和应用深入推进的同时,机械臂路径规划问题也成了机器人领域中一个非常重要的研究方向。论文主要研究了六自由度机械臂路径规划问题,旨在提高机械臂的路径规划精度和效率,进一步推动机器人技术的发展和应用。首先,针对A*算法耗时长且精度不高的问题,通过对代价函数、启发函数、搜索步长以及动作代价的改进提出了改进A*算法,并在2维障碍空间和3维障碍空间进行了多组对比试验,分析实验数据验证改进措施的有效性。其次,为了解决快速扩展随机树算法(Rapidly-exploring Random Tree,RRT)算法的节点冗余和资源浪费问题,论文提出了偏置概率改进RRT算法,并结合不同障碍空间与RRT算法及其衍生算法进行了多组实验。实验结果和实验数据验证了改进算法的优越性。最后,在论文中总结尝试了使用强化算法融合改进A*算法和偏置概率改进RRT*算法。算法通过将连续控制问题转化为离散控制问题,减少了算法实现的难度,并在MATLAB平台创建机械臂仿真避障环境,与上述算法进行了性能指标对比仿真实验。实验结果显示,融合算法性能指标最优,所用时间也最短,节点利用率最高。综上所述,本论文对机械臂路径规划问题进行了深入探讨,并提出了实用性强的改进算法。这些研究成果对于推动机器人技术的进一步发展和应用具有一定的参考价值,对相关领域的研究也可以提供有价值的思路和理论支持。

关键词： 机械臂   运动学   逆动力学建模   深度学习   自注意力机制  

摘要： 工业机械臂逐渐向智能化、集成化和高性能控制的方向发展。机械臂控制是其中最重要的部分之一,而机械臂逆动力学模型作为机械臂控制前馈项的重要内容,紧密关联着机械臂控制精度。因此,建立一个高精度的机械臂逆动力学模型至关重要。在此背景下,本文基于UR5机械臂通过深度学习方法并提出了一种基于自注意力机制的改进模型完成机械臂的逆动力学建模,并与当前常见的用于机械臂逆动力学网络模型进行比较,验证所提出改进模型的预测精度与效率。文章主要的工作内容如下:第一,对机械臂进行运动学分析与仿真。分析前,通过D-H参数先建立关于机械臂的坐标系,并且通过刚性运动,推导机械臂齐次变换矩阵。给定关节角通过齐次变换矩阵推导机械臂末端执行器位姿最终完成机械臂正向运动学分析与速度运动学分析。根据D-H参数,通过matlab中机器人工具箱(Robotics Toolbox)建立UR5机械臂仿真模型,利用工具箱内置函数完成机械臂正向运动学仿真计算和雅可比矩阵计算,结果发现仿真计算值与理论计算值在误差范围内,验证了正向运动学分析和速度运动学分析的正确性。通过蒙特卡洛法描绘出了机械臂的工作空间。第二,基于牛顿-欧拉法建立了机械臂的动力学方程并通过仿真软件完成仿真计算。根据机械臂运动学分析结果推导了连杆与质心的速度与加速度公式,推导了惯性张量,根据牛顿-欧拉递推公式附加摩擦模型与柔性关节模型建立机械臂动力学方程,并完成动力学方程计算。通过动力学仿真软件Adams建立虚拟样机,设置参数并在关节处添加弹性扭簧模拟关节柔性完成仿真计算,发现建立的耦合模型相对刚体模型在精度上有明显提高。第三,完成了基于深度学习方法的机械臂逆动力学建模。通过深度学习方法应用于机械臂动力学问题的历程概述了简单的神经网络,介绍了自注意力机制和基于自注意力机制的Transformer模型。提出了基于自注意力机制的改进模型并完成循环神经网络及其变种等模型设置。最后,搭建试验平台并分析结果。介绍了UR5机械臂的结构。通过三维建模软件Creo完成机械臂模型搭建并处理。完成了机械臂的控制与数据采集,通过PC与实际机械臂建立通信,并基于ROS2系统对机械臂进行控制,完成所需数据的采集并处理。与目前常用网络模型进行横向比较,验证了所提出的改进模型在预测精度和效率方面有明显提升。

关键词： 字典学习   深度字典学习   表达约束   模式分类  

摘要： 近年来,随着传统字典学习算法的不断发展,其应用领域也不断扩大。传统字典学习在分类任务上取得了良好的分类性能。深度字典学习(Deep Dictionary Learning,DDL)则充分结合传统字典学习和深度学习的优点,旨在学习多层的字典并提取样本的多层抽象特征表达。因此深度字典学习算法也被广泛应用于分类任务。然而,现有的大多数基于深度字典学习的分类方法忽略了对多层次的表达约束,未能深入挖掘数据样本自身的结构信息。因此本文在深度字典学习的基础上充分考虑基于表达的约束并将其应用于模式分类,同时设计与实现基于深度字典学习的图像识别原型系统,本文的主要研究工作与创新性如下:(1)针对现有深度字典学习方法忽略了数据样本内部的结构信息,提出一种新的深度字典学习框架并将其应用于分类任务,称为分层图增强的深度协作字典学习(Hierarchical Graph Augmented Deep Collaborative Dictionary Learning,HGDCDL)。首先,针对最深层表示的学习,提出一种基于协作表示的深度协作字典学习(Deep Collaborative Dictionary Learning,DCDL),即对最深层的表示施加协作表示约束取代稀疏表示约束。其次,将分层图结构引入到深度字典学习中,对数据结构进行建模,并根据多层表示自适应地构建分层拉普拉斯图。最后,通过将分层图结构与DCDL模型相融合,进一步增强了学习到的多级字典和鉴别性表示的耦合性和有效性。在多个图像数据集上的实验结果验证了提出的HGDCDL能够得到更具鉴别性的表示从而提高了分类性能。(2)针对无监督的深度字典学习结构未能充分利用训练样本的标签信息且未能对不同层次学习到的表达进行有效约束,提出基于类内和类间约束的判别深度字典学习(Intra-and Inter-class Induced Discriminative Deep Dictionary Learning,DDDL)。在深度字典学习的框架上,引入了基于分层数据表示的类内紧凑性项和类间分离性项这两项判别性约束。分层结构中,类内紧凑性约束使得同类的表示更加紧凑,类间分离性约束使得异类的表示更加分离,从而特定类的数据表达在每一层都更具有鉴别性。在分类阶段,设计出类似于训练阶段的方式进行逐层贪婪优化,从而高效地学习最深层表示的封闭形式解。在分类任务上的综合实验和分析表明,DDDL模型有相较于对比方法更优越的识别结果。实验结果也表明了,即使在加入随机块遮挡的情况下,DDDL也可以取得良好的识别效果。(3)根据本文提出的DCDL方法、HGDCDL方法以及DDDL方法,设计并实现了一个基于深度字典学习的图像识别原型系统,该系统由系统管理与图像识别两大模块组成。系统开发使用C#与Matlab这两种编程语言,选用My SQL数据库实现数据的读写操作。该系统能够简单方便地实现本文所提的三种方法。并且经过多次的测试表明,本文提出的三种基于表达约束的深度字典的学习方法是行之有效的。

关键词： 文本   演奏自由度   有谱   变谱   无谱  

摘要： 自人类产生音乐艺术以来,音乐的本质就是音响。随着人类文明不断进步,音乐理论体系的不断发展和完善,音乐开始以文本的方式记录,自此文本和音响就成为了不可分割的一体两面。尤其进入演奏者和作曲家各司其职的时代,遵照原作便成为了音乐表演者的主要特征之一。同时,演奏者的主体性特征如何体现亦成为了音乐表演理论研究的主要议题之一。我们把视线聚焦在文本和自由度的关系上,以演奏自由度为核心,探讨以文本为前提的自由度时,发现以不同的文本:有谱、变谱、无谱为依据时,形成了三种不同的音乐表达。演奏者在不同文本依据下重拾自由度,更好地诠释音乐,所体现的不仅是原作之意,更在延展作曲家的思想的同时充分的体现了演奏者的主体性。

关键词： 六自由度   工业机器人   路径规划   正逆运动学   碰撞检测  

摘要： 近年来,工业机器人以其高速度、高精度、高效率,以及能在高危环境下作业等优势,被广泛应用在各类自动化生产线上,逐步替代人工完成劳动强度过高、以及各种恶劣工况中的操作活动。但是随着各领域对于机器人的需求越来越多,对其完成任务的准确性和不同环境的适应性要求也越来越高。为了解决传统工业机器人受工作环境影响较大、依赖于人工示教等问题,本文以六自由度工业机器人为载体,在传统控制策略上引入现代智能控制算法,使工业机器人的控制系统能够根据不同工况完成运动策略的实时调整,实现了合理避障与快速平稳搬运物件的目的。首先,介绍了六自由度工业机器人的位姿描述,接着将标准DH参数法和改进DH参数法这两种数学建模方法进行了分析和比较,并选用改进DH参数法对六自由度工业机器人进行数学建模,推导机器人正、逆运动学的解。并选取合适的参数,通过在Matlab中建立模型进行仿真,验证求解的正确性。其次,基于六自由度工业机器人数学建模和运动学推导的研究,阐述了六自由度机器人与障碍物碰撞检测的算法实现。接着提出了基于负反馈的蚁群算法,并通过粒子群算法对其进行优化。为减少运算量,碰撞距离的检测采用基于安全区域的人工势场法来实现。此外,路径的搜索策略还可以根据不同级别的安全需求来改变。最后将这两种算法结合起来,引入了势场法的引力,从而提高算法的全局寻优能力和收敛速度。最后,以RV-4FR型号的六自由度机器人为对象,建立仿真模型和实物平台,验证本文中提出的路径规划方法的可行性。实验结果表明,本文所提出的路径规划方法在机器人运动过程中,能够安全、快速地避开障碍物,规划出一条最优路径。

关键词： 七自由度串并混联送料机械手   参数设计   运动雅可比矩阵   动力学模型  

摘要： 随着经济和社会的发展，社会对生产力的要求越来越高，企业逐渐开展自动化智能化研究，机械手在生产线的应用越来越多，它工作效率高、成本低，逐渐取代工人在生产线中的位置。本文针对汽车冲压生产线，提出一种七自由度串并混联送料机械手，该机械手可实现冲压工件上下料的自动化，具有运动速度快、工作空间大的特点，对提高生产效率，解放工人具有重要意义。　　设计了七自由度串并混联送料机械手的构型，该机械手主要由支架、大臂（4-PRPaR并联机构）、小臂、端拾器组成，大臂为并联机构具有三移一转四个自由度，小臂为一曲臂机构。上下料动作由大臂与小臂同时运动实现，两者同时运动，速度叠加，可提高机械手的工作节拍，提高生产效率，实现冲压生产线的自动化上下料及工件检测。　　根据GF集理论进行型综合并选出合适的并联机构构型，设计机构三维模型，建立并联机构正反解模型，对机构进行运动仿真，验证正反解模型。求出机构工作空间与运动雅可比矩阵，分析机构参数对工作空间大小的影响曲线，基于该运动雅可比矩阵分析大臂（4-PRPaR并联机构）的速度传递性能、力学传递性能，分析机构参数对速度传递性能以及力学传递性能的影响曲线，根据对工作空间大小、速度传递性能以及力学传递性能的影响曲线选择出合适的机构参数。分别在笛卡尔空间与关节空间对机械手大臂与小臂的运动轨迹进行规划，建立机构动力学模型，对机构进行运动学与动力学仿真，通过测量得出各个驱动关节的位移、速度、加速度、功率、力与力矩变化曲线，该曲线连续且光滑，基本满足设计要求，根据机构仿真分析结果，选择合适电机与滚珠丝杠。

关键词： 骨折复位机器人   构型设计   运动能力   约束力  

摘要： 随着社会的发展，交通工具的普及以及人口老龄化等问题促使着长骨骨折发病率的提到，在自动化信息化的潮流下，长骨骨折复位手术逐渐产生了引入自动化骨折复位机器人的需求。传统的骨折复位术对于医护人员来讲，首先长时间的骨折复位手术会增加医护人员暴露在 X 射线下的时间，严重危害医护人员的生命健康，其次，复位过程中较大的复位力也增加了医护人员的手术负担。对于患者来讲，传统的复位手术精度无法保证，长时间的复位过程更容易导致其他并发症的出现。面向下肢的骨折复位机器人相比较传统的骨折复位装置拥有着复位精度高，复位操作更灵活，复位力更大等优点。引入了骨折复位机器人的骨折复位术能够很好得提高骨折复位手术精度，缩短骨折复位手术时间，减小复位创伤，减少并发症等优点。本文根据传统得骨折复位手术以及骨折复位手术机器人的相关研究提出一种新型的3-PPSP六自由度骨折复位机器人，并针对其并联机器人构型进行分析设计。　　首先，在进行骨折复位手术机器人机构设计前针对复位流程、相关人体解剖学以及相关研究确定骨折复位机器人的设计指标以及机器人构型，通过螺旋理论等方法分析了机器人构型在骨折复位手术中的运动能力以及设计布局的合理性。完成了对3-PPSP机构的正逆运动学进行推倒得到了机器人的正逆运动学模型。基于螺旋理论完成了对3-PPSP机构的力雅可比矩阵的推导。基于螺旋理论完成了对3-PPSP机构的约束力推导。最后针对上述推导内容进行了仿真分析验证。　　其次，完成对3-PPSP构型的性能评价，完成了机器人灵活工作空间的绘制，分析了机器人在所要求的灵活工作空间内的奇异性问题，并建立了机器人操作性评价指标，对机器人操作性全局指标在工作空间内的分布情况进行了绘制，分析了基于刚度组集法的机器人在各杆件在考虑柔性变形条件下的刚度性能，并绘制了其在空间内的分布情况。　　最后完成骨折复位机器人的设计、校核、优化、装配，并建立了机器人的误差模型，完成了机器人的误差标定，最后完成了在一定复位力下的模拟骨折复位实验。

关键词： 量子调控   稀土离子   离子电负性标度   自由度   电荷转移跃迁理论  

摘要： 发光过程中存在微观粒子之间的相互作用，可将其归结为量子行为。而稀土晶态材料作为发光的载体，包含了晶格、电荷、自旋以及轨道在内的多种自由度。稀土离子在晶体中可以看作一种无机晶格活性掺杂剂。由于稀土离子半径较大，其掺杂到晶体中容易引起晶格畸变，形成空位缺陷，并进一步导致晶体的电子结构和晶格环境发生改变，形成缺陷、晶格、电子结构等多尺度结构。由稀土离子掺杂引起的缺陷可以归结为局域对称性破缺，影响晶格自由度。此外，稀土离子f电子的复杂性导致了体系中的电荷、自旋、轨道等自由度的不稳定性。因此，通过多自由度耦合方法可以明确稀土晶态材料中发光来源的本质。通过电负性评估稀土离子电荷转移跃迁理论，可以将稀土晶态材料中离子尺度的晶格自由度，以及电子尺度的电荷、自旋以及轨道自由度整合起来，实现稀土晶态材料发光的量子调控。本文主要论述电负性评估稀土离子电荷转移跃迁理论及其在量子调控发光中的应用。