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关键词： 三自由度   压电驱动器   惯性粘滑   球形转子   动力学分析  

摘要： 随着科学技术的不断进步,精密光学、机器人、精密加工等诸多高科技领域取得了长足的发展。压电驱动器作为微型执行器,其自身具有结构简单、不受电磁干扰、位移精度高、响应速度快等优点,成为国内外相关学者研究的热点。然而目前大多数惯性压电驱动器只能产生单自由度或二自由度的运动,很难满足在小空间范围内实现多种运动形式的实际要求。因此本文提出了一种“三明治式”结构的三自由度旋转惯性压电驱动器。根据惯性粘滑驱动原理设计了压电驱动器的结构,分析了压电驱动器惯性粘滑的驱动过程。确定了压电片的布置方式。对压电振子梁进行了静力学分析,求得了压电振子梁驱动足处的纵向位移和偏转位移。分析了梁的结构参数和压电片的参数对压电振子梁驱动足处位移的影响规律。建立了压电振子的自由振动方程,求解了压电振子的固有频率和振型函数。分析了压电振子的材料参数和结构参数对其固有频率的影响规律。对压电振子进行了有限元模态仿分析,验证了理论计算的正确性。对压电振子进行了受迫振动分析,通过杜哈梅积分建立压电振子的受迫振动方程。得出了压电振子驱动足处位移、速度、加速度响应。分析了不同参数对压电振子受迫响应的影响规律。对压电振子进行了有限元瞬态分析,验证了理论计算的正确性。研究了压电振子的加工工艺方法,完成了样机加工和装配,对压电振子进行了振动特性试验,测量了驱动足处的振动位移。测量结果表明:通入电压峰值为150V,频率为320Hz的锯齿波信号时,驱动足处的纵向位移峰值达到2.5μm,偏转位移峰值达到1.3μm。搭建了样机的输出特性实验平台,测试了压电振子输出特性,测试结果表明:当激励电压达到150V,信号频率为320Hz时,球形转子绕x、y轴的最大转速达到75μrad/s,绕z轴的最大转速达到35μrad/s。当样机绕x、y轴旋转时,样机的最大负载为2mN·m,绕z轴旋转时,样机的最大负载为1.55mN·m。

关键词： 高阶广义线性系统   自由度   高阶Sylvester矩阵方程   观测器   鲁棒性   参数化方法  

摘要： 近几十年来,广义系统被应用很多领域,如:交通运输、金融系统、电力系统、生物系统等。随着高阶线性系统理论不断的发展,高阶广义线性系统观测器的研究也逐步引起人们的重视。鉴于观测器能够重构系统的状态,解决了工程中状态无法被直接测量的难题,本文在广义系统理论的基础上,对高阶广义线性系统鲁棒观测器的设计进行了研究。主要研究内容如下:1.根据左特征向量矩阵、右互质分解和奇异值分解,给出高阶广义Sylvester矩阵方程的三种参数化解。2.针对两种不同的高阶广义时不变线性系统,提出PI和PD观测器的参数化设计问题。首先,基于系统的估计误差趋向于零（PI观测器也要确保它的积分项趋向于零）的要求,给出使系统正则和无脉冲的约束条件。然后,对增广误差系统矩阵对进行Jordan分解,将观测器设计进一步转化为求解高阶广义Sylvester矩阵方程。最后,利用自由参数,即闭环特征值s和一组自由参数向量f（PI观测器还需要考虑积分增益矩阵F包含的自由度）,构造观测器增益矩阵和左特征向量矩阵的参数化表达式,为系统的设计提供全部自由度,还可以用这些自由度满足系统的其它性能。3.针对两种不同的高阶广义时变线性系统,研究了PD观测器的参数化设计问题。首先,在保证系统完全能观的条件下,为系统设计PD观测器。然后,根据建立的左特征向量矩阵,对增广误差系统矩阵对进行Jordan分解,将PD观测器设计进一步转化为求解高阶时变Sylvester矩阵方程。最后,利用方程解中包含的自由度,即闭环特征值s和一组自由参数向量f(4.3节还需要考虑矩阵L（θ）包含的自由度),构造观测器增益矩阵和左特征向量矩阵的参数化表达式。4.针对高阶广义时不变线性系统提出鲁棒观测器的参数化设计问题。首先,给出鲁棒观测器存在的假设条件,为系统设计合适的鲁棒观测器。其次,对增广误差系统矩阵对进行Jordan分解,将鲁棒观测器设计进一步转化为求解高阶Sylvester矩阵方程。然后,根据三组自由参数,即闭环特征值s,一组自由参数向量f和参数矩阵L,构造鲁棒观测器增益矩阵和左特征向量矩阵的参数化表达式。最后,再用最小化闭环极点灵敏度指标对具有自由度的设计参数进行优化,使闭环特征值对系统系数矩阵变化的灵敏度最小,得到一组最优参数。

关键词： 少自由度并联机构   运动学分析   动力学建模   控制仿真  

摘要： 五自由度并联机构在工作空间、灵活性和可控性方面相较于三自由度和四自由度并联机构表现出更出色的性能,其能够覆盖更大的操作范围并满足更复杂的任务需求。与六自由度并联机构相比,五自由度并联机构的结构更为简洁,制造和维护成本较低,在性能与成本之间实现了有效平衡。在许多实际应用领域,如曲面打磨、齿轮加工等领域具有良好的应用前景。本文提出一种新型的过约束2PRPU+PRPS五自由度并联机构。主要研究内容如下:(1)对该并联机构进行详细的构型描述与分析。建立机构坐标系,应用螺旋理论分析该机构中的约束反力,以确定机构的自由度数量,并利用修正的G-K公式验证分析结果的准确性。(2)对该并联机构进行运动学分析。利用矢量法分析该并联机构的逆解方程,建立机构驱动速度与加速度和动平台的映射关系,通过MATLAB进行算例计算,得到驱动支链的位移、速度和加速度随时间变化的曲线。运用蒙特卡洛法分析机构的工作空间,并对机构进行灵巧度分析。(3)应用虚功原理建立该并联机构的动力学模型。利用MATLAB对动力学模型进行算例计算,得到机构驱动支链的驱动力随时间变化的曲线。(4)应用Solid Works软件建立该并联机构的三维模型,导入Simulink中搭建虚拟样机。在Simulink软件中进行运动仿真,记录虚拟样机在仿真过程中的位移、速度、加速度和驱动力,并与MATLAB的算例结果进行比照。验证运动学与动力学理论分析的正确性。(5)在Twin CAT3中设计该并联机构的控制系统,并与Simulink中的虚拟样机仿真平台建立联接,进行控制仿真,在虚拟仿真界面对机构控制程序进行测试,并用Twin CAT3 Scope View模块记录驱动支链位移、速度、加速度和驱动力随时间变化的曲线图与Simulink的仿真结果进行比照,验证控制系统的可行性,为实体样机的控制实验奠定基础。

关键词： 折纸机构   多指机械手   运动学   仿真与实验  

摘要： “十四五”机器人产业发展规划中对机械手的灵活性,抓取稳定性提出了更高的要求。近年来机械手的研究仍与人手有较大差距。本文从折纸原理出发设计了一类可以串联的单元结构,并基于此结构设计了一种新型机械手。该机械手手指采取模块化设计,不同指节之间可以首尾串联,相互替换。手指只需要一个驱动源,且在运动过程中指节之间的夹角恒定相等使得手指具有恒为圆的包络曲线,可对不同形状物体进行抓取。对折纸启发的新型机械手进行了理论分析和应用研究,具体内容如下:首先,基于折纸原理进行折纸单元模型综合研究。从折纸机构机理出发,结合空间4R机构利用折痕法和纸板替代法设计了多个单元模型,并对单元的自由度、运动性能以及折展条件进行了分析,筛选出运动性能较好的单元模型,为接下来机械手的设计提供了条件。其次,对新型机械手进行建模研究。根据机械手抓取物体方式设计手指指节,分析手指指节之间的串联方式,将设计好的指节串联,建立手指的三维模型。依据手指的特点设计手指的驱动机构和手掌结构,完成对机械手整体的设计与三维建模。接着,对单自由度机械手进行运动学分析。采用修正的G-K公式计算单个手指的自由度。从手指的指节入手,建立运动学模型,通过将手指拆分成串联机构的方法计算手指的末端点位置、速度和加速度。根据运动学结果,计算手指包络曲线和工作空间,并对影响机械手弯曲的因素进行分析。然后,对机械手的抓取稳定性进行分析。对机械手不同抓取模式进行分析,依据虚功原理求解机械手在包络抓取时的静力学,确定指节接触力和驱动力矩之间的关系。建立了机械手的稳定抓握模型,并分析稳定包络抓握时被抓取物体的受力情况,利用软件进行仿真分析。最后,进行虚拟仿真和样机实验。对所设计机械手进行虚拟目标抓取仿真,并制造样机对不同物体进行抓取实验,验证机械手的实际抓取能力。

关键词： DOA估计   非圆信号   四阶累积量   最小冗余面阵   自由度  

摘要： 阵列波达方向估计(Direction Of Arrival,DOA)在电子对抗和无线通信等领域上具有广泛的应用。为了提高DOA估计性能,学者将研究测向算法和阵列结构作为切入点。在阵列结构方面,而非均匀阵列具有较大的孔径和自由度,在相同阵元数的条件下,非均匀阵列测向性能优于均匀阵列,其中最小冗余阵列的自由度最大。相比于L阵和圆阵,面阵的DOA估计精度较高以及估计性能稳定,因此本文采用推广至面阵的最小冗余阵列即最小冗余面阵。在测向算法方面,一方面目前应用于非均匀阵列的算法多为基于空间平滑方法,该方法计算量大,不利于快速DOA估计,并且现实环境存在大量非圆信号,其信号特性可以提高DOA估计能力。因此本文在最小冗余面阵的基础上研究矩阵重构算法降低计算量实现DOA估计,然后将其进一步推广至非圆信号DOA估计之中。论文主要工作如下:1.针对传统的空间平滑方法计算量大和提高DOA估计能力问题,提出了基于最小冗余面阵的DOA矩阵重构类算法。首先对于计算量大的问题,本文运用矩阵重构的方法取代空间平滑方法处理二阶统计量,其过程为利用二阶统计量得到最小冗余面阵的差分共性阵列,然后利用该阵列中各均匀线阵得到的Toeplitz矩阵构造新的协方差矩阵,相对于空间平滑方法,本文矩阵重构的方法省略了计算各子阵协方差矩阵的过程,因此计算量较少,同时将新的协方差矩阵运用到二维MUSIC算法和二维ESPRIT算法以及二维酉ESPRIT算法中;其次,针对提高DOA估计能力问题,本文进一步将矩阵重构思想应用至四阶累积量之中,充分利用四阶统计量,从而有效扩展了最小冗余面阵的孔径,提高了自由度。这两类算法也可以适用于其他非均匀阵列,最后通过仿真验证了本文算法具有较高精度,并且在相同算法条件下,最小冗余面阵DOA估计性能优于嵌套面阵、开盒子阵列和均匀面阵。2.为了进一步将非圆信号的特性与矩阵重构算法相结合以进一步提高DOA估计能力,本文提出了基于非圆信号和最小冗余面阵的DOA估计算法。非圆信号的椭圆协方差不为零,本文利用这一性质扩大最小冗余面阵的虚拟阵列,扩大方式有两种。第一种方式是利用非圆信号二阶统计量信息进行直接向量化处理得到求和求差阵列,但是该求和求差阵列存在孔洞,为了弥补孔洞提高自由度,本文通过先阵列平移后向量化得到求和求差阵列,然后与矩阵重构算法相结合。但是上述方法局限在二阶统计量,因此第二种方式利用非圆四阶累积量扩大虚拟阵列,并通过降维实现DOA估计。最后的仿真结果表明,相比其他非圆算法,本文所提算法精度较高,并且最小冗余面阵的估计精度高于互质面阵。

关键词： 体积视频   光场   点云   超像素   视口  

摘要： 沉浸式的视听体验,能够带来身临其境的感受和参与感。虚拟现实技术已经广泛应用于游戏、电影、教育、医疗、体育等领域,是提升人们生活幸福感的技术之一。体积视频,也称容积视频,是虚拟现实的一种重要媒体形式,它可以带给用户完全沉浸式的场景体验,受到了研究者们的广泛关注。与此同时,体积视频的高细节度、高自由度、高数据量等的特性,为其采集、重建和传输带来了挑战。本文对点云数据格式的体积视频的重建及传输优化进行研究。光场可以捕捉到空间中光的信息,在沉浸式媒体内容制作中潜力巨大。因此,引入光场技术进行体积视频点云帧的采集与重建。针对光场高冗余、重建点云亦出现离群点的问题,提出了基于几何引导的光场压缩算法。首先利用图卷积模型完成光场非关键子孔径图像的初步重建,为了解决像素丢失的问题该算法利用超像素获取光场图像的草图同时传输,在解码端完成像素补偿,最终得到压缩重建后的完整光场图像。在光场重建点云阶段,本文提出了基于超像素优化的光场重建体积视频点云帧算法,针对性地解决了重建出的点云物体边缘离群点的问题。首先进行深度估计得到场景初始深度图,之后利用超像素的边缘附着性,设计了超像素离群点检测算法和联合双边滤波器实现离群点的检测和复位,最终生成点云并滤除少量顽固离群点,得到高质量的体积视频点云帧。为了解决体积视频传输存在运动-光子延迟以及占用带宽高的问题,本文引入视口预测和三维瓦片优化体积视频传输,提出了基于视口预测的体积视频自适应传输算法。对用户六自由度视口进行预测,利用旋转运动分量之间的互信息性,提出了一种多维预测模型。之后根据视口与体积视频点云帧的位置关系,以及带宽吞吐量的变化,进行三维瓦片的自适应传输,提高带宽利用率,并实现高质量体积视频流传输。本文对提出算法进行了实现,并分别与其他方案性能进行了对比,通过实验结果可以证明,本文提出的基于几何引导的光场压缩算法、基于超像素优化的光场重建点云算法和基于视口预测的体积视频自适应传输算法均展示出了更优的性能,对于体积视频的重建和传输优化具有一定的价值。

关键词： 机器人   六自由度抓取   机器视觉   深度学习   单视角点云  

摘要： 随着人工智能技术的发展，现今针对两指夹爪的机器人抓取估计问题大多以深度学习为基础展开研究，而这对网络表征能力及大规模的抓取信息标注数据集提出了挑战。为此，本研究提出了两种创新的抓取估计方法：基于生成模型的抓取估计方案和基于迁移的抓取估计方案。具体来说：　　（1）为了提高基于深度学习的机器人抓取估计方法中网络的表征与生成能力，本文利用概率扩散模型对抓取估计问题进行建模，设计了基于Transformer的网络结构，其结合自注意力、互注意力模块在抓取姿态与物体形状特征之间建立关联。此外，本文引入额外的融合模块，将物体形状特征联合扩散模型的时间戳编码作为引导生成抓取姿态结果的条件。通过搭建机器人仿真抓取平台，本文与其他方法进行了对比。得益于扩散模型强大的生成能力，本文提升了抓取估计的性能。　　（2）为了缓解现有方法对大规模抓取数据集的依赖，本文设计了一种基于迁移的抓取生成方法。该方法利用同类物体间的形状相似性，通过神经网络建立物体间“点对点”的密集对应关系。为了将物体表面点与抓取姿态之间建立联系，本文设计了一种新颖的抓取点表征形式。该算法通过建立密集对应关系，将一个预先标注了抓取姿态的物体上的抓取点迁移至新物体上，从而实现了对一类物体的抓取结果的生成。该方法使得只需要对该类别中的一个物体进行标注，就能够得到同类别所有物体的抓取估计结果。同时，为了提高迁移后抓取的稳定性，本文额外设计了一个抓取优化模块。该模块利用两指抓取的对拓准则，通过对拓、防碰撞等优化损失函数微调迁移后的抓取姿态，实现更优的抓取效果。通过详细的消融实验，本文验证了抓取迁移以及抓取优化模块的有效性。　　（3）为了验证本文基于迁移的抓取估计算法在实际场景中的效果与适用性，本文搭建了实际机器人抓取平台，并在该平台上与其他抓取估计方法进行了对比实验。尽管仅依赖少量抓取姿态标注，本文却实现了比其他利用大规模抓取数据集训练的方法更快更优的性能。通过机器人在辅助人类日常任务中的成功执行，本文验证了抓取迁移算法卓越的实际应用能力。

关键词： 五自由度混联机构   拓扑综合与优选   静柔度   重力   铰链间隙   优化设计  

摘要： 密切结合大型复杂结构件高精加工对于并/混联制造装备自主创新的重大需求,本文借助一种更简洁直观的拓扑构型分析方法,创新性地提出一种新型五自由度混联机器人,并深入研究考虑重力影响的机构静柔度建模与优化设计、间隙误差建模等内容。全文主要研究成果如下: 首先,从平面机构的组成原理与约束特性出发,提出由一条串接一转动副的1T1R平面并联运动链和两条空间无约束主动支链组成的1T2R新型并联机构拓扑方法,并综合出多种新构型。为保证机构的实际工程应用价值,统筹考虑位姿能力匹配恰当性、支链力学合理性、位置逆解简易性、机器人模块可重构性以及动平台结构紧凑性五项优选准则完成构型优选,确定最终并联机构型为R(RPS&RP)&2-UPS。在并联机构末端搭载A/C转头,形成新型五自由度混联机器人Trifree,完成该机器人优选准则性能验证,并从拓扑结构角度对比分析其与Tricept、Trimule中的异同,进一步证实其应用前景。 其次,建立考虑重力影响的Trifree五自由度混联机器人静柔度模型。分别求解A/C转头、R(RPS&RP)&2-UPS并联机构柔度解析表达,结合串联系统线性叠加原理完成整机建模分析。鉴于R(RPS&RP)&2-UPS并联机构为多闭环系统,建模复杂,且存在平面过约束问题,建立并联机构变形映射模型与变形协调条件。借助ANSYS仿真软件,完成理论模型计算结果校核,进而求解弹性变形的全域分布规律,并研究分析Trifree、Tricept、Trimule三者在柔度性能方面的异同。 然后,为实现机构质量与柔度性能的最佳匹配关系,提出以机构质量、柔度全域均值与方差为目标的多目标优化设计方法。通过灵敏度分析筛选柔度优化参数,进而给定相应几何约束条件与优化函数解析表达,借助遗传算法求解满足约束条件的pareto非支配解集,并依据最小距离法确定能够实现最佳匹配关系的参数解。 最后,建立五自由度混联机器人间隙误差模型并基于柔度优化结果完成间隙最佳取值搜索。考虑被动旋转关节径向间隙影响,提出径向间隙偏移模型,构造误差映射矩阵并结合线性叠加原理从而求解出整机间隙误差解析表达。为在不同精度约束下合理选择间隙大小,定义评价指标符合度,基于柔度优化结果通过单调性分析搜索间隙最佳取值以实现机构精度与加工难度之间的最佳匹配关系。

关键词： 多自由度精密运动系统   精度分析   补偿   敏感性分析   几何误差  

摘要： 多自由度精密运动系统是精密加工的基础,被广泛应用于光电子封装、航空航天等精密加工领域。随着人们对产品性能要求的提高,对多自由精密运动系统精度的要求也愈加严格,而精度的提升依赖于对系统误差的分析与补偿,因此对多自由度精密运动系统误差分析和补偿方法的研究具有重要的研究价值。具体研究内容及成果如下: 1、针对单自由度精密运动系统提出了基于“误差流”理论微行程下精密线性平台定位精度表征方法。从精密线性平台结构入手,提炼出导轨误差传递路径和滚珠丝杠误差传递路径,借助“误差流”理论构建了基于“误差流”理论的精密线性平台误差模型,依据分布传递变化规律,提出了更加精确的微行程下定位精度的表征方法。 2、提出了基于L2范数描述的多自由度精密运动系统几何误差敏感性分析方法。通过对典型结构六自由度精密运动平台的结构分析,提炼出运动与误差的传递过程,通过对比齐次坐标和旋量理论的误差建模方法,构建了基于旋量理论的多自由度误差模型;考虑误差耦合影响于环境因素,通过输入与输出误差的方差比,构建了基于L2范数描述的多自由度精密运动系统几何误差敏感性分析方法。 3、基于精密线性平台误差分析和多自由度精密运动系统几何误差敏感性建立了多自由度精密运动系统误差补偿方法。基于激光干涉仪实验平台验证微行程精密线性平台精度表征方法,分析了相关性能指标的变化规律,同时对六轴精密运动平台进行敏感性分析,寻找出关键几何误差,在此基础上针对六轴精密运动平台建立了综合误差源的补偿方法,通过对六轴精密线性平台光功率损耗的测量验证了补偿方法的有效性。

关键词： 永磁同步电机   二自由度控制   线性扩张状态观测器  

摘要： 永磁同步电机具有体积小、功率密度大、效率高、可靠性高等优点，非常适合作为航空起动发电一体机。航空起动发电一体机在起动阶段作为电动机运行，主要作用是带动航空发动机达到指定的点火速度。由于工作环境的特殊性，永磁同步电机在运行过程中存在多种多样的扰动，这些扰动会严重影响电机的控制性能。传统单自由度控制器只能在跟踪性能和抗扰性能之间做权衡，而二自由度控制可以从根本上解决这个问题。本文以航空用永磁同步电机为研究对象，分别设计电流环和速度环二自由度控制器，以提升永磁同步电机综合控制性能为目标。论文主要研究内容如下：　　由于逆变器非线性和死区效应、磁链谐波等的影响，d–q轴会出现6n次的电流谐波，这些电流谐波可以视为电流环中的周期性扰动。另外，由于电机运行过程中定子电阻和电感等参数的变化，会对电流环控制性能造成不良影响，这些可视为电流环的非周期性扰动。本文分别采用准谐振控制器和线性扩张状态观测器对电流环中的周期性扰动和非周期性扰动进行抑制。主控制器采用比例环节，与准谐振控制器一起组成准比例谐振控制器，电流环的跟踪性能只与准比例谐振控制器有关，而抗扰性能与准比例谐振控制器和线性扩张状态观测器都有关。最后，通过仿真验证了所提出的二自由度准比例谐振–线性扩张状态观测器结构能够对周期性扰动和非周期扰动进行有效的抑制，同时具有良好的动态性能。　　速度环中的扰动主要是非周期性扰动，其中包括电机参数变化、突加负载转矩等。对于速度环中的非周期性扰动，本文采用线性扩张状态观测器进行估计和补偿。为了抑制速度超调，本文设计了一种参考值前馈型的二自由度P–PI控制器，该控制器可以在不改变抗扰性能的情况下消除超调。通过二自由度P–PI控制器与线性扩张状态观测器组合成二自由度P–PI–线性扩张状态观测器的结构，使得速度环同时具有良好的跟踪性能和抗扰性能。最后，通过仿真和实验验证了所设计的二自由度P–PI–线性扩张状态观测器的有效性。