课程文献中心 更多>>

关键词： 非光滑悬索桥系统   动力学行为   随机激励   擦边分岔   单自由度  

摘要： 悬索桥是一种以承受拉力的缆索作为主要承重构件的桥梁，是特大跨径桥梁的主要形式之一。由于其缆索无法承受压力，当悬索桥受到垂向风雨荷载作用时，会出现十分复杂的动力学现象。因此，为了提高悬索桥的稳定性，为工程实际中悬索桥的建造，检测以及极端环境下的预警提供理论基础，需要对悬索桥系统的动力学行为和特性进行研究。本文研究了单自由度非光滑悬索桥系统的动力学，主要工作如下：　　首先，建立了单自由度非光滑悬索桥系统的动力学方程，并通过伽辽金方法将其离散为常微分方程，借助分岔图，吸引域等数值方法研究了系统的多稳态动力学。采用打靶法计算并数值模拟出系统的不稳定周期轨道，观察到包括边界激变，内部激变在内的激变现象。　　其次，研究了单自由度非光滑悬索桥系统在受到随机激励作用的情况下的奇异非混沌动力学。发现周期吸引子可以在随机扰动的作用下演变为奇异非混沌吸引子。采用功率谱，谱分布函数以及分形图来刻画该吸引子的奇异性。接着，通过相图以及最大Lyapunov指数揭示了奇异非混沌吸引子的演化过程。　　然后，考虑了小间隙的情况下，单自由度非光滑悬索桥系统发生擦边分岔时的动力学现象。详细推导了零时间不连续映射，得到了系统发生擦边分岔时的复合Poincaré映射，并通过比较复合映射表达式数值模拟出的分岔图与直接数值模拟出的分岔图，验证了计算结果的正确性。　　最后，利用增量谐波平衡法计算了单自由度非光滑悬索桥系统周期运动的半解析解，并通过二分法处理了分段点不可导的问题。采用直接数值模拟得到系统的分岔图，以确定系统的运动状态。然后通过增量谐波平衡法得到系统的解析表达式，并进行数值模拟得到系统的相图。最后，将该方法的结果与ODE45计算的结果进行对比，以验证该方法的有效性。

关键词： 气动肌肉   六自由度并联平台   位姿控制   自适应鲁棒控制   振动控制  

摘要： 针对井下辅助运输装备新技术实验和操作人员安全驾驶培训的应用需求,本文以气动肌肉驱动的六自由度并联平台为研究对象,以提高并联平台的位姿控制精度与实现振动控制为目标,采用理论分析与实验验证相结合的方式,研究了基于直接/间接的自适应鲁棒控制策略与基于任务空间下的计算力矩振动控制方法。论文主要内容如下:(1)阐述了本文的选题背景及意义,概述了六自由度并联平台发展与应用的现状,并详细介绍了气动肌肉驱动并联平台的国内外现状以及并联平台在驾驶模拟领域的发展现况,最后概括了本课题的主要研究内容。(2)设计了气动肌肉驱动的六自由度并联平台,并对其组成单元进行选型,然后完成了对并联平台的气动伺服驱动系统和测控系统的设计,最终为便于控制算法研究,完成了基于快速控制原型实验台的搭建。(3)基于六自由度并联平台,首先建立了运动平台的位姿表示方法,并通过解析法获得了并联平台反解,采用牛顿-拉普森迭代算法得到了并联平台的运动学正解;其次建立了气动肌肉的速度与加速度和运动平台的速度与加速度之间的数学模型;然后建立了单根气动肌肉的动力学模型,基于此推导出并联平台在关节空间的数学模型;最终对气动肌肉驱动的并联平台进行简化,利用牛顿—欧拉原理,建立了并联平台的动力学模型。(4)首先研究了基于关节空间的并联平台控制策略,将运动平台的位姿控制转化为对单根气动肌肉的长度控制,并设计了基于气动肌肉的直接/间接自适应鲁棒的控制器;然后设计实验验证了控制器的性能,结果表明,控制器在跟踪30mm正弦轨迹时,其最大误差值未超过2.2mm,跟踪误差的均方差仅为0.8384mm,相较于传统的自适应鲁棒控制精度提高了64%;最终通过多自由度混合控制以及干扰测试实验证明了所设计的自适应鲁棒控制器具有良好的动态轨迹跟踪性能以及抗干扰能力。(5)针对六自由度并联平台工作时存在的噪声,使用扩展卡尔曼滤波算法(EKF)对单根气动肌肉的速度、加速度滤波,并合成了六自由度并联平台的速度、加速度;其次在工作空间下,设计了一种基于计算力矩的振动控制器,并在理论上证明了该控制器的稳定性;最后基于该控制器设计了实验,实现了对气动肌肉驱动并联平台单自由度以及多自由度下的振动控制。最后,归纳了论文的主要工作和结论,并对未来进行展望。本论文有图61幅,表6个,参考文献119篇。

关键词： 机械臂   动力学建模   深度学习   循环神经网络   重载   液压驱动  

摘要： 机械臂的高速、高精度和大负载工程实际对其动力学特性提出了更高的要求。为了掌握其动力学特性,应建立精确且可快速求解的动力学模型。多自由度、高速、重载和液压驱动共同作用产生的非线性和复杂耦合时变特性,给基于参数法构建七自由度重载液压机械臂动力学模型及其求解造成了很大困难。本文以高速、重载工况下的七自由度液压机械臂为研究对象,开展其动力学建模方法研究。主要研究内容如下: (1)根据七自由度重载液压机械臂的工作原理和技术要求,分别对机械臂的各关节开展机械系统、液压系统及控制系统设计;在明确重载液压机械臂典型工况的基础上,进行正运动学分析,并使用蒙特卡罗法获取机械臂的工作空间,通过MATLAB求解和Recur Dyn仿真互相验证所建运动学模型的正确性。 (2)在牛顿欧拉多刚体动力学模型的基础上考虑液压系统的非线性,以及高速、重载和液压驱动所导致的关节柔性与摩擦特性,提出考虑关节摩擦特性与柔性的七自由度重载液压机械臂刚柔耦合动力学模型(简称“参数模型”),通过MATLAB求解与Recur Dyn仿真互验模型的正确性;建立机械臂关节摩擦模型,通过摩擦辨识实验获取各关节摩擦力参数。 (3)针对高速、重载工况下多自由度液压机械臂动力学精确建模及快速求解问题,提出基于深度学习方法的机械臂非参数动力学模型构建策略,基于此策略建立七自由度重载液压机械臂非参数动力学模型(简称“非参数模型”),给出其网络训练的方法和程序流程。 (4)为获取参数法无法建模的机械臂动力学特征,降低非参数模型对训练数据量的要求,进一步提高重载液压机械臂动力学建模精度,采用特征工程方法提取参数模型中与高速、重载相关的参数化特征;与非参数法结合,提出半参数深度学习建模方法与基于深度学习方法的重载液压机械臂半参数动力学模型构建策略,建立七自由度重载液压机械臂半参数动力学模型(简称“半参数模型”),给出半参数模型的训练和参数优化流程。 (5)搭建七自由度重载液压机械臂试验平台,开展磨机更换衬板运行试验;使用获得的试验数据充分训练非参数和半参数模型,得到不同超参数对模型计算精度和求解速度的影响,确定相对最优的超参数集;分别对参数、非参数和半参数模型进行测试,结果表明:非参数法比参数法在高速中载和高速重载数据集上的计算精度分别提升了50.32%和68.54%,半参数法比非参数法在高速中载和高速重载数据集上的计算精度分别提升了10.89%和8.39%。

关键词： 涡激运动   试验研究   数值模拟   S-Spar   多自由度  

摘要： 随着陆地与近海岸油气资源的日益消耗,近年来深海区油气开发逐渐受到关注,海洋浮式平台作为深海油气生产与储存平台成为了油气开发的关键。海流流经平台柱体会使其产生涡激运动,涡激运动产生的剧烈振荡幅值会严重影响平台生产活动,因此如何减小圆柱体平台的涡激运动成为了深海领域研究的重点问题。目前涡激运动的实验研究受实验场地的限制大多集中于低雷诺数情况,有关高雷诺数下多个自由度相互耦合的涡激运动研究较少,但实际深海平台雷诺数可达10～5以上,实验测得的低雷诺数的涡激运动特性与实际平台存在明显的差异。因此本文通过实验与数值模拟相结合的方法对浮式圆柱体进行高雷诺数下的多自由度涡激运动研究分析。本文主要通过以下几个方面对涡激运动进行的研究:本文首先对涡激运动的特性进行简单的基础实验研究,对大直径裸圆柱体进行横荡、纵荡两个自由度的涡激运动试验研究,对响应幅值、运动频率以及运动轨迹进行了研究分析,并探究了不同长径比和不同重心高度对涡激运动的影响。研究表明:高雷诺数下圆柱体模型的涡激运动具有涡激运动的普遍特征,存在明显的涡激共振现象,横荡、纵荡两个自由度的振荡幅值随着约化速度的增加均呈现先上升后下降的趋势,运动轨迹呈“8”字形;高雷诺数下涡激运动的锁定区间会变大;随着模型长径比的增加以及重心的上升,模型涡激运动过程中的响应幅值会小幅度增加。为了验证实验设计的准确性,同时为了补充实验所缺少的涡激运动的泻涡状态,随后开展了圆柱体模型两自由度涡激运动数值模拟,基于STAR-CCM+求解器,使用求解器的重叠网格技术以及动态流固耦合技术对圆柱体模型进行了两自由度涡激运动预报,并与实验数据相对比验证。研究表明:横荡、纵荡的响应幅值数值模拟结果与实验结果在趋势上可以较好的吻合,但数值结果略大于实验结果,在锁定区内尤为明显。数值模拟中涡激运动的涡泄状态呈规律对称的漩涡脱落。由于实际平台并不是简单圆柱体,使用裸圆柱模型模拟实际平台的涡激运动状态会存在偏差,且两自由度的研究并不能全面的反应涡激运动的耦合特性,因此基于第一个圆柱体模型两自由度的实验,继续深入开展新型S-Spar平台多自由度的涡激运动试验研究。该实验对S-Spar模型涡激运动的横荡、纵荡、垂荡以及横摇四个自由度分别进行了研究,由于纵摇幅值较小不予考虑。分析了模型涡激运动的响应频率和运动幅值,并对不同自由度间的耦合效应进行了探讨研究。同时研究了不同重心高度对涡激运动的影响。研究表明:不同自由度有其独特的响应特征,横荡占据运动主导地位,不同自由度间又有着耦合效应,存在着频率互扰现象;模型重心对横荡、纵荡的最大响应幅值以及锁定区的范围有不可忽视的影响;S-Spar模型的稳定性较普通圆柱体更好,能大幅降低涡激运动的响应幅值。

关键词： 柔性机器人   形状记忆合金   超弹性材料   变刚度   多自由度  

摘要： 柔性机器人以柔软的材料、多变的形状、人机交互性等诸多特点被众多研究者关注，柔性机器人的出现弥补了刚性机器人在非结构化环境下工作的不足，其被广泛应用在医疗、生产、探测等行业中。目前常见的柔性机器人主要以流体驱动为主，这种驱动方式的优点在于驱动简单、结构成熟，但是由于其驱动设备庞大，不利于柔性机器人集成性发展。除此之外，在一些需要一定负载的工况下，对柔性机器人的刚度也有要求。因此，如何提高柔性机器人集成度、如何使柔性机器人刚柔耦合对柔性机器人的发展具有重要意义。　　本文进行了基于形状记忆合金（ShapeMemoryAlloy，简称SMA）的无源驱动装置的研究，主要通过将SMA与PVC片结合成柔性单元体，驱动柔性单元体弯曲变形挤压弹性腔体进行无源驱动;由超弹性材料Ecoflex制成的运动部件用于执行抓取动作，将驱动装置与运动部件浇注为一体得到无源驱动多自由度变刚度柔性机器人。因此本文主要的研究内容如下：　　建立SMA丝温升模型，建立电加热时SMA丝温度与时间关系式，通过对SMA丝进行温升实验得到温升模型中的未定系数;进行SMA丝收缩率实验以及驱动力实验，对不同直径SMA丝驱动力变化趋势进行探讨，对比选取符合要求的SMA丝规格。　　确定SMA丝驱动装置结构，设计并制备柔性单元体，通过实验对比得出SMA丝长度、SMA丝根数、SMA丝放置方式对柔性单元体弯曲变形的影响。建立柔性单元体位移与SMA长度关系式，对比理论模型与实验结果验证模型可行性。设计弹性腔体尺寸，设计弹性腔体成型模具，使用Ecoflex硅胶成型弹性腔体。搭建驱动装置实验平台，对驱动装置功能进行测试，实验中改进了PVC片材质，验证了驱动装置的可行性。　　基于柔性机器人抓取功能，设计柔性机器人运动部件结构，运动部件一侧具有两个空腔作为柔性关节，柔性关节对称分布，可实现正反弯曲功能;利用Abaqus仿真软件对影响运动部件性能的结构尺寸进行分析，将实验数据与仿真数据进行对比验证。　　搭建柔性手支架试验台，抓取不同外形物体进行柔性手功能验证;将运动部件内部注入低熔点相变合金，进行变刚度功能实验;成型整机结构，进行无源驱动实验，验证整机结构可行性。

关键词： 无线输电技术   磁耦合谐振式   磁耦合机构   交叉耦合   多自由度   开关电容  

摘要： 无线输电技术是近十几年来飞速发展的电气工程前沿热点研究方向之一,广泛应用于医疗、工业、无人机、智能产品等多个领域。本论文针对现有的磁耦合谐振式无线输电技术在传输自由度上的不足与多负载情况下的交叉耦合问题,开展了深入的研究,主要工作和创新点如下:(1)分析了多发射多接收无线输电系统的互感计算方法,使用优化的亥姆霍兹发射线圈与三正交结构的接收线圈构建了一套多自由度传输的磁耦合机构,理论分析与仿真验证了所设计的无线输电系统对接收线圈空间移动和角度旋转的不敏感性。试验结果表明,对比传统的单一亥姆霍兹线圈结构,该系统能够在内部极大的范围内实现稳定效率的能量传输。(2)分析对比了三轴亥姆霍兹发射线圈的两种电流控制方法,给出了合理的电流控制策略使发射线圈能够应对二维接收线圈的旋转,并分析了在多负载情况下负载线圈姿态各异时的性能指标。实验测试结果表明,在单负载情况下不会因为负载的旋转而影响传输性能,且在多负载情况下也有良好的表现。(3)研究了发射线圈和接收线圈失谐对系统效率造成的影响,分析了交叉耦合效应对无线输电系统传输效率的作用机理。提出了使用开关电容来实现线圈回路的动态调谐方法,从而完全补偿交叉耦合所导致的干扰,实验验证了该方法对交叉耦合的完全补偿能力。本文从磁耦合机构、电流控制和电路拓扑入手,针对无线输电系统在多自由度的传输稳定性和多负载供电的交叉耦合问题,提出了相应的解决方案,研究成果有助于促进磁耦合谐振式无线输电技术在多场景中的工程应用。

关键词： 六自由度机械臂   运动学建模   动力学建模   动力学参数辨识   时间最优轨迹规划   凸优化  

摘要： 机械臂在现今的工业领域中应用越来越广泛,其中机械臂动力学参数辨识和最优轨迹规划仍是研究的热点话题。本文主要以实验室搭建的六自由度仿人机械臂为研究对象,对其运动学、动力学、动力学参数的辨识、最优轨迹规划等方面进行研究。首先,搭建了机械臂平台并建立机械臂的仿真模型,然后采用D-H法对其运动学进行分析,建立相应的坐标系并计算各关节之间的变换矩阵得到正运动学模型。通过数值计算来研究逆运动学,较准确的计算出每个关节的角度。在MATLAB中进行实验仿真,验证了其正确性。动力学模型则采用牛顿-欧拉迭代方式求解,为了后续参数辨识工作,将其转化为线性形式,然后求得对应的观测矩阵和最小惯性参数集。其次,设计了一个采用整体辨识方法的离线辨识动力学参数实验。根据机械臂物理特性如速度、加速度,采用傅里叶级数设计出一条轨迹作为激励轨迹,该轨迹能够有效的激发本机械臂各动力学参数的特性。然后让机械臂按照该轨迹运行并对各关节的位置、速度、力矩进行采集。基于卡尔曼滤波过滤后的相关数据,采用改进的迭代重加权最小二乘法进行参数辨识,并实验验证了参数的准确性。最后,基于辨识后的动力学模型,研究了具有动力学约束下的时间最优轨迹规划。为了解决动力学约束下一般时间最优问题的局部最优和全局最优问题,将其转化为凸优化控制模型,并添加了本机械臂的物理约束条件和动力学约束。在时间最优目标下,考虑了力矩变化率的影响因素,使机械臂可以更加方便的执行。通过实验,验证了该算法的可行性。

关键词： 折纸结构   可展结构   动力性能   折展过程   自由度  

摘要： 可展结构可以沿着已知路径运动,同时以可控的方式展开。这些特点在考虑运输、安装和结构的整体可持续性等问题时带来了好处。折纸结构作为应用范围较为广泛的可展结构,具有突出的折叠能力和良好的力学性能,被用来解决各种不同性质的工程问题,涵盖了航空航天、建筑、生物工程等领域。本文将主要对折纸结构目前研究中出现的多自由度折纸结构的运动过程中的路径具有不确定性、不能对折纸结构整体的动力学方程显式地表达出来等问题来进行深入展开研究,主要涉及折纸结构的运动学和动力学分析两个方面,具体研究内容包括:运动学分析。分析了折纸结构可展开条件并提出其可展开判别方法,在已有机构自由度计算方法基础上,进行优化提出了折纸结构自由度的一般计算方法,对于计算过程中可能出现的特殊情况通过具体算例进行补充说明。对常见构型的折纸结构提出快速建模方法,并通过计算其自由度验证本文方法的有效性,针对其中多自由度折纸结构进行不同的约束来分析其不同的展开路径,以满足不同需求来确定多自由度折纸结构的最优展开路径。动力学分析。对折纸结构进行模型简化,并对比几种简化方案的优劣。基于拉格朗日方法,以节点坐标向量为广义坐标,提出折纸结构的非线性有限元分析方法。并利用泰勒展开理论,推导出动力学方程的线性化形式。分析折纸结构折展过程中的能量变化,在以可接受的误差范围内来模拟折纸结构的刚性变形以及柔性变形。具体算例验证。研究了折纸结构在动态载荷下的响应和运动轨迹,进行包括特征值及其模态的刚度分析。并准确分析了不同类型的折纸结构在动力学上的特点。通过其他有限元以及动力学工具与本文提出的折纸结构动力学的对比分析,验证了本文方法的正确性和有效性。本文为折纸结构的自由度计算和动力学分析等方面的研究提供了实用的分析方法,可适用于一般的折纸结构,为折纸结构的设计、研究和应用贡献了理论基础,为未来的研究提供参考。

关键词： 机械臂   非结构化环境   六自由度抓取   动态路径规划  

摘要： 机械臂凭借自动化水平高、可靠性强等优点,在各领域广泛应用。现有的机械臂抓取技术未能考虑物体几何特征与场景中运动的障碍物,在非结构化环境中面对未知物体和动态场景灵活性不足。因此,研究非结构化环境下机械臂六自由度抓取技术,具有重要的现实意义和应用价值。论文对机械臂作业中的抓取位姿规划和运动路径规划展开研究,主要研究内容如下:针对机械臂抓取过程中涉及的模型进行构建;对非结构化环境下机械臂抓取任务进行分析,确定系统主要功能;针对非结构化环境下物体种类多样、位置随机和环境动态变化的特点,设计了非结构化环境机械臂六自由度抓取系统总体框架。针对机械臂在非结构化环境下对未知物体生成稳定抓取位姿的问题,本文提出一种基于骨架特征的抓取位姿规划方法。首先对场景点云预处理,去除冗余数据;然后设计了基于L1中值骨架提取的迭代移动采样方法生成骨架点,进而利用骨架点分布信息和周围点云的几何信息生成候选抓取位姿,最后根据抓取器与物体点云的位置关系,设计评价函数评估候选抓取位姿。在仿真环境中对所提方法进行验证,结果表明该方法能够对各类形状的物体生成丰富稳定的六自由度抓取位姿。针对机械臂在动态变化场景下实时规划无碰撞路径的问题,本文提出一种考虑全局信息的动态路径规划方法,首先使用几何包络法简化机械臂连杆及障碍物,并进行碰撞检测;然后针对RRT算法在路径规划中过度搜索,降低算法效率的问题,提出了非均匀采样的RRT算法,减少无用节点的拓展,提高算法收敛速度;最后,提出了关节空间的人工势场法,并将全局路径引入人工势场法,引导机械臂动态避障的同时沿全局路径运动,避免陷入局部最优。在仿真环境中对所提方法进行验证,结果表明该方法可以在动态场景中规划出可行的路径。为验证所提方法的有效性,基于非结构化环境搭建了软硬件实验平台,设计了机械臂抓取规划软件系统,并进行相应实验,验证了本文所提方法的可行性和优越性。

关键词： 绳牵引并联机构   工作空间   干涉   结构优化设计   虚拟样机  

摘要： 相比Stewart平台等刚性并联机构的系统结构,绳牵引并联机构具有结构简单、可达工作空间大、运动速度快等优点,已被逐渐应用于驾驶模拟系统、吊装起重机、天文观测等领域中。为了更好的发挥绳牵引并联机构的工作空间性能,解决机构的干涉以及结构参数优化问题,本文以一种8索6自由度并联机构为研究对象,主要完成以下工作:对机构在运动过程中产生干涉的判定条件进行讨论,在此基础上为了增大动平台姿态变化范围、减小干涉空间体积提出了两种绳索布置方式。为了求解机构的干涉空间,提出一种基于数值计算方法的数值扫描改进算法,以解决数值扫描法难以避免遗漏干涉位置、计算时间较长等缺陷。利用改进算法求解两种构型的干涉空间,并与数值扫描法的结果进行对比,证明数值扫描改进算法的正确性以及在求解时间、结果准确性方面的优势。基于矢量理论对机构的运动学与动力学进行分析,并进一步求解并联机构的力旋量可行工作空间。对机构在理论可达空间中的非干涉空间与力旋量可行工作空间取交集,得到两种构型的实际工作空间,并给出了动平台姿态对实际工作空间体积的影响。将实际工作空间体积、干涉对工作空间的影响和最大姿态角作为工作空间性能的评价指标,对比分析了两种构型在工作空间性能方面的差异。分析了绳索与动平台铰接点的位置以及机架和动平台的宽高比对机构工作空间性能的影响,以实际工作空间体积和最大姿态角为优化目标,使用理想点法进行优化设计,得到最优的结构参数。并针对得到的最优参数求解其工作空间性能,证明优化结果的合理性。为了进一步验证数值扫描改进算法以及干涉空间求解的正确性,利用Adams软件构建机构的虚拟样机模型。利用图形化建模的方法对动平台特定姿态下发生干涉的位置以及特定位置下动平台的最大姿态角进行求解,将结果与数值扫描法和改进算法的结果进行比较,进一步证明了数值扫描改进算法在求解机构干涉空间方面的优势。