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关键词： 林果运输   运动学   轨迹规划   轨迹优化   参数优化  

摘要： 林果产业是现代林业的重要组成部分,林果产业的快速发展,不仅为果农提供了致富的渠道,也对社会经济的发展起到一定的推动作用。我国种植的林果品种繁多,数量庞大,是名副其实的林果生产和消费大国。目前林果采摘封箱后装车的过程及快递中转的装卸过程,大多仍是依靠手工、简易的机械工具或者半机械化设备,导致林果装卸的效率低、成本高、劳动强度大,这不仅给广大果农造成了沉重的劳动负担,也严重阻碍了林果产业的发展。因此设计一种用于林果自动化装卸的机构势在必行。因此,本文针对林果装卸过程中自动化程度较低的问题,设计了一种林果装卸五自由度混联机械臂,首先建立混联机械臂的运动学理论模型,并利用MATLAB和ADAMS进行联合仿真验证;然后使用改进的麻雀算法对混联机械臂进行最优时间轨迹规划;最后建立混联机械臂的参数化模型,对混联机械臂的结构参数进行多目标优化,以提高其综合性能。论文的主要工作如下:(1)根据林果装卸作业要求,设计了林果装卸混联机械臂的结构,基于齐次变换理论,使用标准D-H参数法建立了混联机械臂的正、逆运动学理论模型,采用蒙特卡洛法分析混联机械臂的工作空间,验证了混联机械臂的工作空间符合作业要求。(2)建立ADAMS与MATLAB的联合仿真模型,验证了混联机械臂正、逆运动学理论模型的正确性,并对混联机械臂进行动力学仿真,对比分析空载和受载工况下各驱动关节的力矩。(3)研究了混联机械臂在笛卡尔空间和关节空间的5种轨迹规划方法,重点研究了在关节空间中的五次多项式、七次多项式和七次B样条插值轨迹规划,对比分析了三种方法的运动参数曲线图,结果表明七次B样条插值的综合性能最优。(4)针对麻雀搜索算法(SSA)的不足,提出一种改进的麻雀搜索算法(ISSA),以混联机械臂的运行时间为目标函数,使用ISSA对混联机械臂进行轨迹优化,结果表明混联机械臂的运行时间大幅减少,验证了改进算法的有效性和优越性。(5)建立混联机械臂的ADAMS参数化模型,以降低大臂并联机构关节转动力矩和混联机械臂末端执行器的加速度为优化目标,利用ADAMS/Insight模块对混联机械臂进行多目标优化设计,优化后混联机械臂末端执行器加速度峰值和均值分别降低了 4.676%、16.21%,关节3和关节5转动力矩的峰值分别降低了 59.32%、6%,均值降低了 36.12%、5.91%。

关键词： 液压机械臂   轨迹规划   计算力矩控制   轨迹跟踪  

摘要： 随着国家工业化的不断发展，机械臂在各行各业的引用非常广泛，相比较电机驱动而言，液压驱动具有体积小，功率密度大的特点，将机械臂和液压驱动关节进行一体化设计，可以设计出体积小但具有高负载能力的机械臂，可以拓宽机械臂的应用场景，弥补电机驱动功率小，传动结构冗余的缺点。　　本文设计的机械臂为由五个旋转关节构成的五自由度液压机械臂，驱动器选择实验室自主研制的小体积大输出力矩的单叶片式摆动液压马达，并根据马达的结构特点设计了机械臂的关节结构及整体结构。设计了机械臂的液压驱动系统，机械臂的连杆坐标系的建立采用了改进型D-H参数法，推导了运动学的正解和逆解，通过蒙特卡洛法得到了机械臂点云状的示意工作空间。利用牛顿欧拉方程法建立了机械臂的逆动力学模型。明确了机械臂轨迹分两种空间进行规划，分别为笛卡尔空间和关节空间，并明确各自的适用范围，针对笛卡尔空间内的轨迹规划，将位置和姿态进行单独插值，在给定路径点的情况下，可以得到机械臂的整段直线和圆弧轨迹，并且使用单位四元数对机械臂姿态变化进行插值，避免了使用旋转矩阵的多参数冗余问题和欧拉角的奇异性问题。针对关节空间内的轨迹规划问题，将多项式插值又分为多段联合插值和单段高次插值，从消耗能量和力矩变化幅度大小两个角度综合考虑选择最优轨迹。使用Amesim、Adams和Simulink联合仿真的方式建立完整地机械臂模型，机械臂整体控制策略为计算力矩法加上PD补偿的方式，液压驱动系统选择使用传统PID进行力矩控制，最终仿真结果表明，无论是空载情况还是负载为最大有效载荷的情况下，机械臂都能实现较高精度的位置跟踪。

关键词： 仿生机器人   机翼转换   多自由度机翼   气动特性   风洞实验  

摘要： 受海鸥启发的大型扑翼飞行器是为了模仿海鸥优雅的飞行模式而开发的,意图研发出具备海鸥高飞行效率的飞行器。然而,现有的类似于海鸥的双段翼扑翼机很少,并且大多数研究将单段翼与双段翼扑翼飞行器分开研究,并未对同一机型的单段翼与双段翼飞行器进行系统的比较。其中扑翼旋涡流的复杂影响使得不同类型扑翼机之间的变量难以控制。目前研究主要集中在理论研究与数据仿真,而实物实验较少。为解决上述问题,本文基于大型单段翼与双段翼扑翼飞行器搭建了大型扑翼飞行器的模拟风洞实验平台ANPRIO RL4转台,并进行了数据测量并分析出一定的结论,主要内容如下:(1)针对对同一机型难以控制变量的问题,设计并装配大型仿海鸥扑翼飞行器。对四连杆式的扑翼机翼设计转换模式,使得在同一架大型鸥翼扑翼飞行器上,机翼能够在单自由度鸥翼与双自由度鸥翼之间切换。并通过外场实验验证此扑翼飞行器能够很好的适应不同的环境飞行。(2)针对缺少实验平台的问题,搭建了模拟风洞平台ANIPRO RL4。借助一个可以模拟来流状态和感知扑翼机瞬时力矩的实验平台ANIPRO RL4,完成了对不同扑翼模式下的实验数据的测量。通过对传感器的校准标定以及数据采集系统的配置,能够达到风洞试验同等条件下,测量的升力,推力等气动特性。提高了数据精度,解决了传统意义上的大型扑翼飞行器所需要的风洞试验平台,存在占地大,成本高等一系列问题。(3)针对实物数据缺少的问题,在完成多自由度扑翼飞行器实验样机和模拟风洞测试平台的搭建之后,对单段翼与双段翼两种扑翼模式下扑翼飞行器的开展气动特性测试,包括升力测试和推力测试,根据测试结果对两种扑翼模式的性能进行对比和分析,同时还将通过实验验证所对单段翼与双段翼理论模型进行的猜想。对研究多自由度扑翼飞行器的气动特性提供理论依据。此研究还能为未来的自动控制飞行的仿生机器人提供策略选择基础。研究结果表明,目前的海鸥式双段翼扑翼机在推重比方面仍不能超过单段翼扑翼机。但在升力方面有一定优势。综合考虑巡航时的升力与推力,单段翼机型似乎比双段翼展现出更优异的气动特性。所以本文猜想双段翼结构并不具备显著优势,与自然界鸟类高超的飞行能力不符,表明目前的双段翼机型技术还不成熟,有待进一步改进机体技术本身。

关键词： 机械手臂   抓握控制   演示学习   前馈控制   反馈控制  

摘要： 2021年全球范围内工业机器人安装数量达到51.7万台,比上一年增加了 31%。机械手臂作为机器人重要的组成部分之一,能协助或代替人完成各项操作性任务,在工业、军事、医疗、航空航天等领域发挥着重要的作用。尽管机械手臂应用广泛,但目前很难兼具机械手和机械臂的高自由度和灵巧操控,机械手和机械臂开发环境往往相互独立,缺乏有效集成,且大多仍依赖繁琐的程序命令进行控制,与人体自然手臂抓取行为相比,机械手臂面对复杂环境和解决复杂任务时程序可移植性差、泛化能力低。因此,研究具有仿人行为的机械手臂系统运动控制至关重要。前人开展了多项研究致力于提升机器人的仿人学习控制,但由于受抓取位姿不确定性、反馈控制能力不足等问题的制约,可在复杂环境下用于实际复杂抓握操控任务的机械手臂仍十分缺乏。因此,研究开发具有仿人抓握控制的高集成性、低编程负荷、优越控制性能的手臂一体化机器人具有重要意义。由于机械手臂的控制不同于人类大脑的调控,因此需要设计开发有效的控制器对机械手臂的抓取运动行为进行精准控制。抓取控制常见的两类控制方式是前馈控制与反馈控制。前馈控制依靠识别使用者的运动意图,选择合适的预设模式,触发抓握动作的开始,令手指关节遵循预先给定的方式运动,反馈控制通过获取外部环境信息作为反馈输入,以此实时调节手指关节角度,以适应各种未知状态。常见的可用于反馈的外部信号包括视觉信号、力触觉信号等。现有的机械手臂在前馈控制与反馈控制方面均存在许多不足,例如,前馈控制的自由度过高,运动意图的解码复杂度过大,亟需降低运动控制的自由度;反馈控制下,如何更有效地利用实时力反馈信息,提升抓取不确定物体的控制效率是提升抓取稳定性的关键。所以,建立合适的前馈控制与反馈控制机制以提升机械手臂仿人抓取性能至关重要。基于以上思考,本文从整合操作系统、降低任务学习成本、提高控制性能方面出发,搭建了一个多自由度机械手臂系统,建立了一种合适的仿人抓握技能学习方法,设计了前馈与反馈相结合的仿人抓取控制策略,实现了高度仿人的抓握操作。本文详细地论述了在系统开发与集成、仿人抓取技能学习与控制策略等方面所做的工作,取得的主要进展和结果如下:(1)搭建了机械手和机械臂一体化的系统,开发了具有高灵敏度弯曲度检测功能的数据手套,实现人手五指关节角度数据的实时获取,并可将数据通过无线方式传输至控制系统,实现机械手的仿人抓握姿态映射。开发了一款无线力采集装置,可获取抓握物体时的指尖接触力信息,并将接触力作为反馈输入控制器。对所使用设备的开发环境进行整合,设计了两款用户使用操作界面,建立了数据输入、姿态选择、图像显示等功能,实现了机械手臂的基础运动功能。设计了水瓶抓取实验,通过对上述仿人抓取平台进行测试,发现所搭建的多自由度机械手臂仿人抓取平台可完成连贯、可靠的抓握运动任务。(2)开发适合机械臂的抓握技能学习方法。在物理引导环境下通过直接拖动机械臂末端获得关节轨迹,利用动态运动原语(Dynamic Motion Primitive,DMP)对轨迹进行建模和学习,随后对7个关节分别建立DMP模型以提高轨迹复现的精度。搭建了空间演示下的操作环境,建立了基于运动捕捉系统和惯性测量单元(Inertial Measuring Unit,IMU)的人手三维空间运动数据,并将其映射于三维空间形成机械臂末端运动轨迹。对获取的IMU原始数据进行处理,通过坐标转换、重力消除等技术得到世界坐标系下的数据,通过运动状态识别、运动速度补偿等进一步提高了轨迹精度。通过计算平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)、最大绝对误差(Maximum Absolute Error,MAX)以及均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)对不同的轨迹结果进行比较。结果表明,在物理引导下,学习轨迹与原始轨迹的MAE、MAX与RMSE均保持在10-3的数量级及以下,说明DMP用于单一演示轨迹中能够得到良好的学习效果,同时DMP具有较好的泛化性。在空间演示下使用所述方法对IMU数据处理后得到MAE、MAX与RMSE参数值均显著小于在无速度补偿方法和无运动判别方法下得到的值,从而证明了所述方法的有效性。(3)研究设计了机械手仿人抓取的前馈和反馈控制系统。在前馈控制中,首先建立了 33种人手抓取姿态数据集,结合本研究中机械手的驱动结构,选择了 9种姿态映射至机械手构建了预抓取数据集。利用姿势协同作用,使用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)对预抓取数据集进行处理,找到机械手驱动关节之间的协同关系,并重建抓取姿态。在反馈控制中,使用采集的接触力信息作为反馈输入,参照导纳控制的原理构建力反馈控制器,找到目标力与实际力之间的差值与关节电机位置之间的关系。根据功能划分将手指关节进行定

关键词： 混联抛光机器人   弹性动力学   运动副间隙   虚功原理  

摘要： 随着航空航天、现代光学系统、半导体加工等产业的迅猛发展,以及相关的计算机控制技术和数控加工技术的不断提升,对超光滑表面元器件加工要求越来越高。电辅助光催化纳米颗粒胶体射流抛光是一种可实现亚纳米级超光滑表面去除的加工方法。将射流抛光技术和超精密运动平台组合,可以很好地完成复杂曲面的超精密抛光加工。这种组合中,混联机床因其广阔的工作空间、卓越的动态性能和高承载能力等优点,成为超精密运动平台领域的首选。目前,并联机构正朝着高速化、轻质化、高精度的方向发展。然而,机构末端若有高负载和机构自身运动的固有特性均会使其机构发生一定的弹性变形,以及各运动副间隙处可能会产生的冲击碰撞,均会影响并联机构的动力学特性。因此,对空间混并联机构进行动力学分析的同时考虑构件的柔性和运动副间隙具有十分重要的意义。本文以3-RPS并联机器人为研究对象,结合XY方向的串联十字滑台机构,组成XY-3-RPS混联系统,作为超精密加工运动平台的载体,综合分析了串联子系统与并联子系统的弹性变形和运动副间隙引起的误差,具体研究工作如下:首先,对XY-3-RPS混联抛光机器人进行运动学建模,通过搭建虚拟样机开展运动学仿真,其结果与数值分析结果对比验证混联机器人模型的正确合理性。对机构进行分析,建立其含运动副间隙的运动学模型。考虑实际工况下系统可能发生的运动和变化,将XY-3-RPS混联抛光机器人系统拆分为并联子系统和串联子系统,并进一步将混联子系统拆分为动平台子系统、驱动臂子系统、从动臂子系统以及串联子系统,将运动学与虚功原理相结合建立各个子系统的刚体动力学模型。再通过矢量相加求得整个混联系统的刚体动力学模型,运用理论模型与虚拟样机完成混联系统的动力学分析。然后,将XY-3-RPS混联抛光机器人拆分的各子系统,利用Newton-Euler方程、Lagrange方程和有限元理论,完成各个子系统的动力学模型的建立。在运动学约束方程和动平台子系统的动力学模型的基础上,将各支链子系统的弹性动力学模型合并在一起,确立混联系统的弹性动力学模型。通过对模型及进行仿真验证分析,探求了弹性变形这一影响因素对混联机器人的动态特性影响。最后,基于数值统计原理与随机函数,完成了混联抛光机器人系统中各个运动副的间隙模型的建立,求得各个支链的虚拟杆长。并进一步将求得的虚拟杆长与含运动副间隙时各个运动副处的接触碰撞力融合到混联系统的弹性动力学模型中,进而得到含运动副间隙的XY-3-RPS混联机器人的动力学模型,再经数值分析,探究了运动副间隙对混联系统的动态特性影响。对比其含运动副间隙与各个子系统支链弹性变形的结果,综合比较分析了各支链的弹性变形与运动副间隙之间的耦合关系,以及两者共同作用分别对混联系统的动态特性影响,探究了影响整个混联系统末端输出的误差变化的关键因素,为之后XY-3-RPS混联抛光机器人的精确控制、误差补偿等提供理论依据和指导。

关键词： 变形翼   运动学   动力学   达朗贝尔原理   多目标优化  

摘要： 传统的飞行器根据其主要的工作环境设定了固定不变的外形,仅能够满足一些特定工况下的飞行需要,飞行器很难达到性能最优。为了提高飞行器的飞行效率、提升多任务适应能力以及解决变形形式单一等问题,本文设计了一种兼顾高低速工况的平面可展变形翼机构,并对该机构进行了运动学和动力学分析,采用有限元分析其结构性能,采用罚函数遗传算法对变形翼单元机构进行了优化,本文的主要研究内容如下:(1)通过分析鸟类在飞行时翅膀形状的变形原理,提出了平面可展变形翼机构,该机构可实现翼弦、后掠角、展弦比和机翼面积的变化,同时能够降低因改变后掠角而导致的气动中心后移的负面影响。阐述了变形翼的结构组成以及变形原理,分析了变形翼单元机构的运动学特性,建立了机构的运动学模型,建立其位置、速度和加速度方程。运用Adams建立变形翼单元机构的参数化模型,并对机构模型进行了仿真分析,通过理论计算与仿真分析相结合的方法,验证了运动学分析以及所建参数化模型的正确性。(2)在运动学分析的基础上,通过达朗贝尔原理对变形翼单元机构进行动态静力学分析,通过拉格朗日方程对变形翼单元机构进行动力学分析。运用Matlab对机构动力学进行数值计算,并通过Adams对机构进行仿真分析,验证动力学分析的正确性。对比两种建模过程,得出了适用于该类结构的最佳建模方法。(3)对变形翼机构进行静力学与模态分析。研究变形翼机构在不同飞行工况下承受的最大应力,验证了机构的可靠性,并分析了变形翼机构在展开状态下前八阶的固有频率和振型。(4)考虑变形翼单元机构的几何约束和性能约束,以压力角和前缘速度方差作为优化目标,采用惩罚函数法与带精英策略的非支配排序遗传算法相结合的方法解决变形翼单元机构多目标优化问题,结果表明,相较初始方案,优化后的机构压力角减少了8.3%,前缘的质心速度方差减少了65.5%,表明优化后机构在展开过程中前缘更加平稳,提高了变形翼机构的传动性能。本文研究内容有望对变形翼的结构设计提供一个新的研究思路,针对变形翼机构的运动学和动力学分析具有一定参考价值。

关键词： 结构力学   自由度   几何体系   安全性   耐久性  

摘要： 在《结构力学》这本书中，几何组成分析和自由度相关知识点讲述了什么样的体系可以当作结构使用。本文详细阐述了几何组成分析和自由度相关知识点，选取实际案例说明了几何组成分析和自由度与工程结构之间的关系，并探讨了影响结构安全性和耐久性的因素以及应对措施，以期为相关人员提供参考。

关键词： 可调线性化器   模拟预失真   负载阻抗匹配网络   双拐点   功率放大器  

摘要： 功率放大器(Power Amplifier,PA)的线性化技术是平衡功放效率与线性度矛盾的关键。随着移动通信的发展,人们越来越渴望高速传输、大带宽、低时延的通信服务。通信系统的工作频段随之提高,带宽越来越宽,调制方式也越来越复杂,这也导致信号峰均比不断增大,对功放的线性度提出了更高的要求。本文基于模拟预失真技术,针对功率放大器的宽带、幅相独立调节和高精度补偿等线性化需求,开展对多自由度模拟预失真器的研究,主要内容及创新点如下:1.为解决传统线性化技术带宽较窄的问题,提出了一种基于负载阻抗匹配网络的反射式模拟预失真器设计方法。通过合理设计负载阻抗匹配网络使其阻抗的频率特性拟合计算的目标曲线,实现了宽带模拟预失真器。使用此方法设计了一款工作于9.4～11.4 GHz(相对带宽为19.2%)的反射式宽带预失真器。该预失真器在工作频段内的增益补偿量范围在3.9～4.4 d B,相位补偿范围在-32.3～-41.5°,具有较好的带内一致性。实测和仿真结果都表明所提方法的有效性。2.为降低可调预失真器幅相特性的相关性,提出了一种幅度/相位独立调节的可调模拟预失真器设计方法,实现了对功放非线性特性的精确补偿。设计并加工了两款分别具有增益特性独立可调和相位特性独立可调的反射式模拟预失真器。测试结果表明两款预失真器在中心频率30.5 GHz处的幅度和相位补偿量分别具有3.9 d B和28.6°的独立调谐范围,大大扩展了预失真器的应用场景。与矢量合成式幅相独立可调电路相比,该电路具有电路复杂度低、独立调节范围大的优点。3.为实现对功放的高精度补偿,提出一种基于混合阻抗匹配网络的幅度相位补偿量和曲线形状多自由度可调的模拟预失真技术。混合阻抗匹配网络由肖特基二极管(非线性器件)、变容二极管以及微带结构组成。针对具有增益曲线凸起特性的双拐点固态功放线性化难题,设计了一款工作在C波段(4.75～4.85 GHz)的拐点深度和补偿量都可调的反射式预失真器。在4.8 GHz处,实测结果表明所提线性化器的幅相补偿量调节可通过增加变容二极管偏置电压来实现,增益扩张量从2.4 d B增加到6.7 d B,相位压缩量从14.2°增加至46.7°。且线性化器的拐点深度与补偿量成正相关,即补偿量增加拐点深度也随之增加。调节网络中肖特基二极管的偏置电压可实现预失真曲线的形状调节,拐点深度最大调节范围为0～4.1 d B,而增益和相位补偿量基本不变,有效提高了线性化器的补偿精度。

摘要： 研制一种基于机械臂的自动读数记录系统，从而代替现场人工值守。

关键词： 非线性微陀螺   动力学   杠杆放大原理   阵列陀螺   增益   带宽  

摘要： 微机械陀螺仪是一种用于测量角速率或姿态角的惯性传感器,广泛应用于行驶稳定性和侧翻检测的汽车安全、摄像机稳定、虚拟现实和计算机鼠标等消费电子、机器人控制技术及导航制导等多个领域,具有体积小、成本低、性能优异等众多优势。带宽和增益之间的矛盾问题一直是困扰微陀螺性能提升的瓶颈,即单自由度微陀螺增益高但是带宽窄,而多自由度微陀螺带宽较宽却以牺牲增益为代价。为解决多自由度微陀螺的带宽和增益间的矛盾问题,本文针对一类具有单自由度驱动系统和完全二自由度检测系统的三自由度微陀螺,研究刚度非线性对微陀螺带宽和增益的影响,并与线性情况进行对比。首先,对三自由度微陀螺进行结构设计,将驱动梁设计为直梁,利用直梁的刚度非线性提升带宽。其次,将杠杆结构加入到微陀螺结构,以提升增益性能。并对比了无杠杆线性微陀螺,无杠杆非线性微陀螺,杠杆耦合式线性微陀螺和杠杆耦合式非线性微陀螺的线性度。最后,设计了两类阵列微陀螺结构,通过阵列设计实现增益和带宽的同时提升。主要内容包括:(1)设计三自由度微陀螺驱动质量的支撑直梁刚度非线性,并通过解耦质量实现驱动和检测谐振频率的单独设计。设计完全二自由度检测系统,实现峰值间距的任意调节。应用多尺度法进行理论分析,并应用龙格库塔法进行数值验证。研究峰值间距、驱动固有频率位置、阻尼和非线性系数等对微陀螺带宽和增益的影响,解决微陀螺带宽和增益的矛盾问题。(2)设计杠杆耦合式完全二自由度系统,并应用到三自由度微陀螺的检测结构中,利用杠杆放大原理进一步提高微陀螺的增益性能。研究了频率耦合参数和杠杆放大系数对线性和非线性微陀螺增益的影响,通过合理的选取频率耦合参数和杠杆放大系数提高微陀螺的增益,并进行优化。最后建立考虑角速度影响的非线性微分方程,研究微陀螺的固有频率受输入角速度的影响规律,并分析加入杠杆前后的线性和非线性微陀螺的线性度问题。(3)对三自由度微陀螺进行了两种阵列形式的设计。第一类阵列陀螺各检测模块应用同一个解耦框架,彼此相互耦合,实现了增益的成倍提高,而微陀螺的带宽不变。在第一类阵列微陀螺的基础上,通过设计各检测模块之间的解耦质量,设计第二类阵列微陀螺结构,由于检测模块可选择不同的峰值间距,可实现同时提升微陀螺带宽和增益的目标。