机器人关节面参数的行波与神经网络混合辨识方法

针对柔性关节机器人,提出了运动状态下关节面参数辨识的新方法。将应用于结构中的行波分析方法与机器人关节旋转变换矩阵相结合,建立机构系统的波导方程。通过各结点力平衡及位移边界条件,得到系统振动激励,从而建立系统振动模型。利用神经网络对振动模型进行求解,将关节刚度和阻尼作为网络权值,辨识出关节动态刚度和阻尼。对3自由度机械臂进行辨识实验研究,实验结果表明该辨识方法是可行的、有效的。     

自由浮动柔性空间双臂机器人的混合抑振控制

针对一种双臂4关节末端为柔性连杆的自由浮动空间机器人,将自由浮动空间柔性双臂机器人开链系统的柔性杆视为Euler-Bernoulli梁.采用假设模态法对柔性连杆的变形进行近似描述,忽略高阶弹性振动模态,根据拉格朗日法,并结合系统动量守恒,推导了自由浮动空间柔性双臂机器人开链系统的动力学方程和振动方程;考虑弹性变形、建模误差及扰动项,以及动力学的非线性强耦合效应,在模态空间下,采用模糊滑模及最优控制的混合控制方法,讨论空间柔性双臂机器人操作臂在捕获运动时的轨迹跟踪及振动抑制问题.仿真实验表明,混合控制可以削弱滑模控制的抖振程度,使得滑模控制的输出更平稳,有效地抑制柔性连杆产生的弹性振动,保持操作臂末端轨迹跟踪的鲁棒性.     

谐波驱动柔性关节机械臂接触力的动态特性

谐波驱动柔性关节机器人在约束空间的接触力的动态特性与接触环境刚度密切相关,环境刚度不同导致其动态特性不同,这与机器人自身动力学特性、传感器动态特性以及环境刚度等动态特性有关.通过对单自由度谐波传动系统接触力建模、理论分析,可知谐波传动接触力的动态特性与环境刚度密切相关,当环境刚度较大时,输出力基本取决于谐波齿轮柔性关节变形的负载力.基于建立的谐波驱动系统实验平台,利用动态信号分析仪进行了接触力的模型实验辨识研究,得到从电机驱动器到力传感器输出的动态特性模型,为接触力控制器设计提供参考.从实验辨识结果验证了理论分析的正确性,并在单纯速度反馈作为主动阻尼情况下,辨识得到接触力的闭环频率响应特性,根据闭环频响可知速度反馈阻尼可以增加系统力控制的稳定性.     

柔性基、柔性铰空间机器人基于状态观测的改进模糊免疫混合控制及抑振研究

研究了在有界外部扰动、基座姿态控制输入比例不确定影响下,柔性基、柔性铰空间机器人系统的刚性轨迹跟踪控制及柔性振动抑制问题。结合系统动量守恒原理、拉格朗日法并应用柔性补偿与奇异摄动技术,建立了柔性基、柔性铰空间机器人的奇异摄动动力学方程。为消除系统外部扰动、不确定控制输入比例对空间机器人轨迹跟踪精度的影响,在传统免疫控制算法基础上引入线性速度观测器及模糊控制器,提出一种基座姿态与机械臂各关节协调运动且不依赖于被控慢变子系统模型的改进模糊免疫混合控制律。为主动抑制基座、关节所产生的双重柔性振动,针对快变子系统提出一种基于线性状态观测器的最优控制律。综合上述两个控制律,得到了一种改进模糊免疫混合控制及抑振方案。所提控制方案无需在实时控制过程中对空间机器人的相关速度信号进行测量与反馈,并对系统不确定性保持有很强的鲁棒性。仿真实验结果证实了方案在系统刚、柔性运动控制上的有效性。     

基于自适应粒子群遗传算法的柔性关节机器人动力学参数辨识

提出一种基于自适应粒子群遗传算法的柔性关节机器人动力学参数辨识方法。该算法采用动态自适应调整策略,提高了粒子群算法收敛速度;同时引入新型遗传算法混合交叉变异机制,避免了粒子群陷入局部最优。将自适应粒子群遗传算法与标准粒子群算法、遗传算法、人工蜂群算法进行了比较,仿真实验结果表明该算法在迭代60次左右完成参数辨识,各参数的辨识相对误差均降低到了1%以内。最后利用旋转柔性关节实验平台进行了实验验证,实验结果证明了该算法具有更好的收敛速度和寻优精度。     

姿态受控柔性关节双臂空间机器人的抗力矩饱和控制与振动抑制

研究了漂浮基柔性关节双臂空间机器人载体姿态与机械臂关节协调定位的抗力矩饱和控制与柔性振动抑制问题。利用系统动量守恒定律及拉格朗日方法,给出载体姿态受控柔性关节双臂空间机器人的完全驱动式动力学方程。结合柔性补偿及奇异摄动技术,推导系统相应的奇异摄动模型。为实现双臂各关节柔性振动的有效抑制,针对快变子系统提出一种力矩微分状态反馈控制策略;为避免空间机器人实际载体姿态控制系统及关节驱动电机出现控制饱和问题,针对慢变子系统提出一种姿态、关节协调定位且基于力矩主动约束设计的抗力矩饱和控制方法。数值仿真结果显示,所提控制方案不仅可以完成对系统载体姿态、双臂各关节的精确定位,而且还能有效抑制关节的柔性振动、限制实际控制力矩的输出幅值。     

结合机器人柔体动力学和关节力矩反馈的振动控制EI北大核心CSCD

工业机器人的柔性传动部件降低了关节刚度,导致机器人末端存在振动问题。首先对柔性关节控制系统建模,分析其振动特性,并简述关节力矩反馈控制(joint torque feedback,JTF)的抑振原理。由于大部分商用工业机器人无配置关节力矩传感器,且存在重力项力矩和摩擦力矩,故建立柔体动力学方程并给出基于最小二乘法(ordinary least squares,OLS)的参数辨识方法,对重力项力矩和摩擦力矩进行估计,进而提出实时关节力矩估计方法。最后基于六自由度工业机器人搭建试验平台,柔体动力学参数辨识试验结果表明所述动力学模型能准确估计电机力矩,满足反馈控制的应用要求。振动控制试验中,在比例控制下,圆弧和直线振动信号能量最大分别减少达27.61%和26.25%;在比例-微分控制下,最大分别减少达37.56%和41.00%;在改进的“补偿+比例-微分控制”下,最大分别减少达38.32%和45.63%,验证了基于动力学模型的关节力矩反馈振动控制方法的有效性。     

柔性关节空间双臂机器人奇异摄动增广鲁棒自适应PD复合控制

为解决载体位姿无控柔性关节空间双臂机器人系统在外部干扰、未知载荷参数影响下关节运动控制问题,提出奇异摄动增广鲁棒自适应PD复合控制方法。以柔性关节空间双臂欠驱动式机器人及关节电机动力学子方程为设计基础,借助柔性补偿奇异摄动技术建立系统奇异摄动修正模型;针对系统外部干扰确界未知、载荷参数未知工况,为柔性关节空间双臂机器人设计由快变状态反馈控制、增广鲁棒自适应PD慢变控制组合而成的复合控制规律。仿真结果证实,所提奇异摄动增广鲁棒自适应PD复合控制方法可有效消除系统关节柔性、未知外部干扰及载荷参数影响,确保空间双臂机器人能精确执行预期关节运动任务。     

不同重力环境下的柔性关节空间机械臂自适应鲁棒控制

研究了柔性关节空间机器人在不同重力环境下的轨迹跟踪控制。首先建立了地面重力环境下和空间微重力环境下的柔性关节机器人模型,这两个模型均考虑了摩擦带来的影响,然后提出一种基于奇异摄动理论的自适应鲁棒控制柔性关节空间机械臂的方法。该方法为被控对象中的重力项设计了自适应律来实时估计补偿,并加入鲁棒项对逼近误差和其它干扰项进行补偿。用该方法设计了控制器系统,并对其进行了稳定性分析和仿真研究。仿真结果表明,该控制器可以有效消除重力环境变化带来的影响,也可以有效抑制柔性关节引起的系统高频谐振等问题,具有很好的跟踪效果,对柔性关节空间机器人的轨迹跟踪控制具有重要的工程应用价值。     

基于粒子群算法的6自由度机械臂动力学模型参数辨识

提出了基于粒子群优化(PSO)算法的工业机器人动力学参数辨识方法。首先利用改进的牛顿-欧拉方法,建立考虑关节摩擦的机械臂线性动力学模型,然后引入PSO算法,建立基于PSO算法的估计未知动力学参数的算法,最后以UR工业机器人为实验对象,通过设计激励轨迹,激励工业机器人关节运动,并对关节运动参数进行采样,实现UR工业机器人的动力学参数估计,并根据力矩预测精度验证动力学模型。实验证明了所提出算法辨识工业机器人动力学模型参数的准确性和有效性。     

柔性关节空间机械臂奇异摄动自抗扰控制仿真研究

针对不同重力环境条件下考虑摩擦、关节刚度非线性与外扰影响的柔性关节空间机械臂的控制问题,提出了一种基于奇异摄动理论的自抗扰控制方法。首先建立了柔性关节空间机械臂在地面重力和空间微重力环境下的动力学模型;然后采用奇异摄动法将系统模型分为快变子系统和慢变子系统,针对快变子系统设计速度反馈控制律来抑制柔性关节的振动,针对慢变子系统设计加入前馈补偿的自抗扰控制器(ADRC)来抵抗系统的内外扰动,并对系统进行了稳定性分析;最后对设计的控制器进行了仿真验证与对比研究。仿真结果表明,采用该方法,在不同重力环境下柔性关节空间机械臂均能实现很好的轨迹跟踪和抖振抑制,且能有效抵抗内外扰动,系统具有鲁棒性。     

某挠性接头在路面随机激励下的响应分析

挠性接头是动力调谐陀螺中最薄弱的部分，在断电状态下运输时，陀螺转子上的惯性力及力矩只能由挠性接头承担，挠性接头能否承受运输过程中的振动冲击，直接关系到导弹运输方案的制定。根据某型动力调谐陀螺挠性接头的特点，将它沿挠性细颈处离散成4个刚体，建立了陀螺的离散动力学模型，并用频域法计算了挠性接头在4种实际运输条件下的振动响应。结果表明，运输速度越高、行驶路面越不平，陀螺挠性部分的变形越大，但所讨论的4种实测路面激励所引起的挠性部分的变形及陀螺转子的振动均非常小，不会导致结构破坏，故实施断电运输是安全的。     

Wave interaction with a floating and submerged elastic plate system

Surface gravity wave interaction with a floating and submerged elastic plate system is analyzed under the assumption of small-amplitude surface water wave theory and structural response. The plane progressive wave solution associated with the plate system is analyzed to understand the characteristics of the flexural gravity waves in different modes. Further, linearized long-wave equations associated with the wave interaction with the elastic plate system are derived. The dispersion relations are derived based on small-amplitude wave theory and shallow-water approximation and are compared to ensure the correctness of the mathematical formulation. To deal with various types of problems associated with gravity wave interaction with a floating and submerged flexible plate system, Fourier-type expansion formulae are derived in the cases of water of both finite and infinite depths in two dimensions. Certain characteristics of the eigensystems of the developed expansion formulae are derived. Source potentials for surface wave interaction with a floating flexible structure in the presence of a submerged flexible structure are derived and used in Green’s identity to obtain the expansion formulae for flexural gravity wavemaker problems in the presence of submerged flexible plates. The utility of the expansion formulae and associated orthogonal mode-coupling relations is demonstrated by investigating the diffraction of surface waves by floating and submerged flexible structures of two different configurations. The accuracy of the computational results is checked using appropriate energy relations. The present study is likely to provide fruitful solutions to problems associated with floating and submerged flexible plate systems of various configurations and geometries arising in ocean engineering and other branches of mathematical physics and engineering including acoustic structure interaction problems.     

屈曲约束支撑钢筋混凝土框架结构干式柔性梁柱节点的试验研究

建议了一种由受弯框架与采用梁柱柔性节点的屈曲约束支撑框架并联组成的装配式混凝土双重抗侧力体系,设计并完成了4个装配式梁柱节点试件和1个现浇节点试件的往复加载试验。研究了混凝土楼板、螺栓孔形式等因素对该柔性节点受力性能和破坏模态的影响,并与现浇试件进行了对比。试验结果表明:混凝土楼板对柔性节点刚度及承载力有很大的影响,在设计时不可忽略;螺栓孔形式在结构位移较小时对节点的受力性能没有影响,但当结构位移较大时会影响节点的破坏模式;与现浇节点相比,装配式柔性节点具有很大的变形能力。     

挠性橡胶管管壁对压力波传播速度的影响

为研究挠性橡胶管衰减管内流体脉动的机理,由流体的质量连续和动量方程出发,并将挠性橡胶管管壁 的粘弹性和横截面径向阻抗率加以考虑,得出了管中压力波的波动方程.用波数的概念将管内流动介质的波动方程化为 传递矩阵的形式.。在此基础上,得出了压力波在挠性橡胶管介质中传播时的复波速。为说明管壁的横截面径向阻抗率 对在胶管介质中传播的压力波的影响,与不考虑阻抗率而仅考虑管壁粘弹性的复波速进行了对比,并且分别考虑了厚壁 管和薄壁管两种情况;研究了管中流体流速对其流体脉动衰减的影响并建立了流体脉动衰减的传递损失的公式。计算 结果表明,薄壁管比厚壁管能更有效地抑制脉动;管壁阻抗率对压力波在挠性橡胶管介质中的传播的影响不容忽视;适 当加大挠性橡胶管管径可以更有效地衰减流体脉动。     

Equivalence of the driving elastic forces in flexible multibody systems

When the driving joint forces, determined using the inverse dynamics procedure, are applied in the feedforward control of mechanical systems, discrepancies between the specified and the actual motion are observed. In some recent publications, these discrepancies were attributed to the wave phenomenon. It is shown in this investigation that the solution of the inverse dynamics of flexible mechanical systems defines two types of driving forces which can be classified as driving joint forces and driving elastic forces. The driving joint forces which depend on the deformation of the flexible bodies define the torque and the actuator forces which must be applied at the joints. The driving elastic forces are associated with the deformation degrees of freedom, and therefore, there is no gaurantee that an algorithm that ignores these driving elastic forces will converge and achieve the desired solution. It is the objective of this investigation to examine the nature of the driving elastic forces in the solution of the inverse dynamics problem, and demonstrate that the driving elastic forces associated with two different sets of vibration modes which produce the same physical displacements are basically the same and they differ only by a co-ordinate transformation. The effect of the selection of the deformable body co-ordinate system on these forces is also examined numerically using a slider crank mechanism with a flexible connecting rod.     

含关节间隙的3-CPaRR解耦并联机构弹性动力学建模与分析

为研究关节间隙对柔性化条件下并联机构输出运动特性的影响,以3-CPaRR并联机构为研究对象。首先,根据该并联机构的空间位置关系,研究了该并联机构的运动学规律,表明该并联机构驱动圆柱副可等效分解为驱动移动副和被动转动副;其次,基于空间位置矢量模型,建立了含间隙转动关节径向和轴向的运动学模型,从而进一步建立各支链转动关节处含间隙的运动学模型;然后,基于Lankarani-Nikravesh接触力模型和Coulomb摩擦力模型建立各支链转动副处存在关节间隙时的法向、切向力学模型,并将各被动关节处由于间隙的存在而产生的力向驱动关节处进行转化,从而建立了含关节间隙的3-CPaRR并联机构弹性动力学模型,最后通过实例分析了不同的关节间隙对该并联机构运动特性的影响。结果表明:含有关节间隙的柔性支链对并联机构的输出运动特性产生了重要的影响,同时该研究也为其他的含关节间隙的多体系统弹性动力学建模提供了理论基础。     

基于微波感知的挠性结构动态响应监测

以大跨度桥梁、高架道路为代表的挠性结构在服役过程中的健康监测备受关注和重视,结构动态响应的测量是实现结构健康监测的重要途径。基于微波感知的新型非接触式振动测量(简称"微波测振")技术与方法,开展挠性结构动态特性监测的应用研究。阐述了微波测振系统的组成及基于单频连续波和调频连续波微波雷达的振动测量基本理论与方法。针对工程实际中挠性结构动态响应监测需求与特点,提出微波测振系统的工作模式选择与参数设置准则。基于搭建的微波测振系统开展了轻轨高架箱梁结构在列车运行激励下的振动响应监测实验研究,分析了不同工况下结构的动态响应特性。结果显示,微波测振技术与方法能够准确测量挠性结构的形变与动态响应,为军民领域挠性结构的健康监测提供了一种新的非接触式振动测量技术与方法。     

基于分形损失理论的粗糙节理岩体中应力波波速研究

从损伤力学的基本理论出发,推导了应力波在节理岩石中传播波速的解析解,建立了节理面图像分形维数与波速间的关系。为了从数值角度探讨节理面图像维数对波速的影响规律,基于图像每一像素颜色可表示为一个三维空间矢量的基本假定,构建了节理面图像的粗糙“颜色表面”模型,计算了该“颜色表面”的分形维数,此维数即为节理面图像维数,并通过实例验证了该法的可行性。在此基础上,通过数值方法探讨了波速随图像维数的变化规律,研究显示：随着节理面图像维数增大,节理面粗糙程度的增加,应力波波速相应减小,且在不同的图像维数区间里,波速减小的速率也有所不同