柔性机构时变可靠性分析的时变随机响应面法

针对柔性机构极限状态函数的时变、非线性和隐式问题,提出了柔性机构时变可靠性分析的一种新响应面法——时变随机响应面法。将模态综合法与广义混沌多项式方法相结合,建立时变随机响应面,用以描述在随机参数和刚柔耦合影响下,系统响应随时间变化的规律,并得到系统响应的统计特征。与仅用混沌多项式拟合系统响应相比,提高了计算效率。建立系统运动可靠性的时变可靠性模型,给出了时变可靠度的蒙特卡罗计算方法。以两连杆柔性机械臂为例,对方法的有效性进行了验证,结果与蒙特卡罗法相比,具有较高的计算精度。     

考虑附加质量的旋转柔性梁动态可靠性分析EI北大核心CSCD

在带有附加质量的旋转柔性梁系统动态可靠性分析中,为了提高其计算精度和计算效率,提出了一种基于单项式容积法(Monomial Cubature Rules,MCR)的随机响应面法(Stochastic Response Surface Method,SRSM)。该方法利用MCR的积分点作为样本点,并以此生成柔性梁系统动态响应的小样本对,基于这些样本对和SRSM回归理论,建立柔性梁系统动态响应可靠度隐式功能函数的代理模型,使用该代理模型对柔性梁系统进行动态响应可靠性分析。通过与传统的蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)法和改进的概率配点法(Efficient Collocation Method,ECM)比较,表明了该方法在柔性梁系统动态响应可靠性分析中的高效率和高精度。在取相同变异系数的条件下,柔性梁截面宽度参数的分散性对系统动态响应的可靠性影响较大。     

考虑载荷作用次数的机械零部件可靠性灵敏度分析方法

 为了研究载荷多次作用时,机械零部件的可靠度及可靠性灵敏度变化规律,从灵敏度角度修改零件的设计参数,降低制造成本,建立一种可靠性模型结合了随机摄动法、Edgeworth级数技术,并考虑了载荷的作用次数．摄动法和Edgeworth级数可以在基本随机参数的前4阶矩已知的情况下,研究具有任意分布参数的机械零件的可靠性灵敏度设计问题,顺序统计量理论考虑了载荷作用次数在可靠度和灵敏度计算中的影响．使用这种模型计算出的可靠度会随着载荷作用次数而变化,这与静态的可靠度计算方法存在差别．以某一型号的螺栓为算例,应用此模型计算了其可靠度、随机变量均值和方差的可靠性灵敏度．由提出的方法得到了可靠度和可靠性灵敏度值及其随载荷作用次数变化的曲线．可靠度及可靠性灵敏度随载荷作用次数变化的规律是：载荷作用次数增加,可靠度值降低,变化趋势单调;载荷作用次数达到最大时,可靠度达到最小;随机变量均值和方差的灵敏度随载荷作用次数变化出现不同的变化趋势,其中螺栓截面直径的均值和方差灵敏度随载荷作用次数的变化最大,随作用次数的增加,螺栓截面直径的参数将对螺栓的可靠性起主要的决定作用．     

采用干扰补偿模糊整定的双柔性机械臂抑振策略

双柔性机械臂由柔性关节和变长度的柔性负载组成,会同时受到柔性、摩擦和参数时变的影响,在运动过程中,它会出现振动的现象,导致末端执行器的跟踪精度降低。本文采用基于干扰观测器的模糊整定PI策略控制双柔性机械臂伺服系统的输出转速,通过控制柔性负载的转速波动间接抑制机械臂的振动。根据假设模态法和拉格朗日原理建立了考虑变形的双柔性机械臂伺服系统的动力学方程。根据鲁棒稳定性理论设计干扰观测器中的低通滤波器,使干扰观测器同时满足控制器参数时变和受控对象参数摄动的稳定性。通过数值仿真分析和双柔性机械臂伺服系统控制实验,验证了所提方法的有效性。实验结果表明,本文提出的控制策略可以更好地消除参数时变和柔性对于输出转速的影响,提高末端执行器的控制精度。     

引入不确定参数的汽车盘式制动器振动稳定性分析

针对汽车制动器的噪声抑制问题,基于可靠性分析理论,将蒙特卡洛法与响应面法相结合,提出了一种汽车盘式制动器系统振动稳定性的可靠性分析方法。该方法针对制动噪声产生具有不确定性的特点,引入随机和区间不确定性参数对制动器系统进行描述,建立包含随机参数和区间参数的制动器不稳定特征值的响应面近似模型,进而采用Sobol′全局灵敏度分析法和蒙特卡洛法分别对不确定参数的全局灵敏度和系统稳定性的可靠度进行分析。用该方法对某车的浮钳盘式制动器系统进行研究,分析了系统稳定性的可靠度和不确定参数的全局灵敏度,甄别了不确定性参数对系统稳定性的影响,并从可靠性角度提出了改善制动器系统振动稳定性的工程措施。     

考虑不同边界条件悬臂梁的模态研究

为了提高假设模态法建立动力学模型的精确性,研究了将柔性机械臂简化为更精确的悬臂梁模型的问题。通过分析不同边界条件对Euler-Bernoulli悬臂梁横向振动的影响规律,将悬臂梁自由端的剪力边界条件具体化为集中质量和拉伸弹簧,弯矩边界条件具体化为扭转弹簧和转动惯性元件,得到了各种边界条件下悬臂梁的模态频率和模态振型的变化规律。结果表明添加边界条件的悬臂梁模型可以更好地表示柔性机械臂的模态振动,因此可以提高假设模态法建立的动力学模型的精确性。针对柔性机械臂之间模态振动耦合较强,添加边界条件无法表示柔性机械臂模态频率的变化规律,提出了修正当量密度的方法。最后给出了边界条件和修正当量密度的迭代计算方法,并用ANSYS和ADAMS联合仿真分析了由驱动关节和自由关节连接的二连杆柔性机械臂模型对应的模态振动,验证了计算方法的正确性。     

城市供水管网系统抗震功能可靠度分析

借鉴结构可靠度分析方法,给出了供水管网抗震功能可靠度分析的一次二阶矩方法。将渗漏面积作为供水管网管线震害的量化参数,使得震后供水管网的功能能够通过带渗漏供水管网的水力分析结果加以反映。通过引入供水管网系统随机水力模型,建立了渗漏面积为随机参数时管网节点水压的均值及方差计算格式。应用一次二阶矩方法,得到供水管网系统的抗震功能可靠度。通过实例分析反映了随机参数的相关系数对管网抗震可靠度的影响,并且比较了均值一次二阶矩法和改进一次二阶矩法的计算结果。     

土质边坡的单元失效概率与失效模式研究

土质边坡系统失效概率与土体抗剪强度参数以及地下水位息息相关，在传统边坡可靠度分析中一般只考虑了土体抗剪强度参数的变异性，忽略了地下水位随机性带来的影响。该文将有限元离散技术、上限法理论、相关非高斯随机场模拟方法以及随机规划理论结合起来研究随机地下水位作用下考虑参数空间变异性的边坡系统失效概率。采用有限单元离散边坡土体，将边坡地下水位作为随机变量并考虑土体抗剪参数的空间变异性，基于塑性极限分析上限法构建边坡可靠度分析的随机规划模型；采用基于蒙特卡洛的迭代方法进行求解，得到边坡稳定性系数和速度场；根据边坡中单元的失效信息首次采用AP聚类分析方法来估算边坡的系统失效概率，发展了边坡系统可靠度分析理论。对一个经典的边坡算例进行了系统分析并与极限平衡分析方法、有限元方法结果进行对比，结果表明：随机地下水位作用下考虑参数空间变异性时，边坡存在多种失效模式，AP聚类分析方法可以根据失效单元的位置信息识别出边坡所有失效模式以及对应的失效概率；基于Matlab编制了高效的上限法并行程序，大大提高了计算效率。     

考虑附加质量的旋转柔性梁动态可靠性分析

在带有附加质量的旋转柔性梁系统动态可靠性分析中,为了提高其计算精度和计算效率,提出了一种基于单项式容积法(Monomial Cubature Rules,MCR)的随机响应面法(Stochastic Response Surface Method,SRSM)。该方法利用MCR的积分点作为样本点,并以此生成柔性梁系统动态响应的小样本对,基于这些样本对和SRSM回归理论,建立柔性梁系统动态响应可靠度隐式功能函数的代理模型,使用该代理模型对柔性梁系统进行动态响应可靠性分析。通过与传统的蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)法和改进的概率配点法(Efficient Collocation Method,ECM)比较,表明了该方法在柔性梁系统动态响应可靠性分析中的高效率和高精度。在取相同变异系数的条件下,柔性梁截面宽度参数的分散性对系统动态响应的可靠性影响较大。     

结构参数对双柔性臂的动力学性能影响的研究

将飞行器探测与修复机械手等效为含集中质量的双柔性臂系统，将飞行器平台作为双柔性臂系统的支承件，将末端夹持器及检测装置作为集中质量，利用假设模态法和拉格朗日方程建立了机械臂的多柔体动力学方程。借助数值方法求解了双柔性臂的动力学特性，及其在工作过程中对飞行器的冲击反力；研究了臂长、臂径、材料弹性与密度等参数对其动力学性能的影响规律。计算结果表明：参数的不合理取值会导致臂关节的角加速度突变值和支承的冲击反力增大。在该研究成果基础上，可进一步实现机械臂的优化设计。     

基于模糊自整定PID算法的压电柔性机械臂振动控制研究

柔性臂运行过程中的振动降低了其定位和操作精度,不同控制算法时的柔性臂抑振效果也不相同。针对刚-柔-电耦合的双连杆压电柔性机械臂,提出基于模糊自整定PID算法的柔性臂振动主动控制方法。利用MATLAB软件中的模糊工具箱,建立有效的模糊规则,实现了PID参数在线自整定模糊控制系统的设计与仿真。与常规PID控制算法相比较,仿真及实验结果表明:两种算法均能抑制柔性机械臂的振动,但模糊自整定PID控制器具有响应快、鲁棒性好、调整方便等优点,并更好地改善了控制系统的动态性能。     

刚柔性耦合机械臂轨迹跟踪与振动抑制

讨论刚柔性耦合机械臂轨迹跟踪控制和振动抑制问题。以双连杆刚柔性机械臂为例,建立了双连杆刚柔性机械臂的非线性动力学方程,运用基于模型的非线性解耦反馈控制方法,使方程中关节角变量和弹性变量部分解耦。利用机械臂逆动力学方法和线性二次型(LQ)最优控制方法讨论刚柔性耦合机械臂的轨迹跟踪控制问题和消除残余振动的控制问题。通过数值仿真计算,表明文中方法的有效性。     

柔性仿人机械臂设计与动力学仿真

为优化仿人机器人手臂设计,基于Jourdain变分建立了刚柔耦合动力学模型;通过假设模态法对动力学方程进行解耦;编写了自适应变步长求解算法;在ADAMS虚拟样机和MATLAB上对水平面内的柔性手臂运动进行了仿真,人体手臂的运动仿真在虚拟样机进行．以人体手臂运动为参考,对比分析了变截面和等截面手臂的柔性变形,比较6种不同材质手臂运动中的末端横向变形量．仿真结果表明：等截面的仿人手臂运动可以近似等效为人体手臂的运动;柔性仿人手臂末端轴向变形量远小于横向变形量,对要求不高场合可以适当忽略柔性手臂的轴向变形;ABS材质的仿人机器人手臂柔性和人体手臂较为接近;改变ABS材质手臂的截面高度,可使得仿人手臂末端柔性和人体手臂一致,且振动主频和人体手臂固有频率不同．     

A Novel Tele-Operated Flexible Robot Targeted for Minimally Invasive Robotic Surgery

In this paper, a novel flexible robot system with a constrained tendon-driven serpentine manipulator(CTSM) is presented. The CTSM gives the robot a larger workspace, more dexterous manipulation, and controllable stiffness compared with the da Vinci surgical robot and traditional flexible robots. The robot is tele-operated using the Novint Falcon haptic device. Two control modes are implemented, direct mapping and incremental mode. In each mode, the robot can be manipulated using either the highest stiffness scheme or the minimal movement scheme. The advantages of the CTSM are shown by simulation and experimental results.     

重心可调包装机械手导轨寿命分析

目的分析不同重心位置对包装机械手寿命的影响,在不改变包装机械手原整体结构前提下,提高包装机械手使用寿命。方法使用数学方法,计算并分析带负载的一自由度包装机械手在直线运动滚动导轨副中的水平运动。设定带载包装机械手在运动机构中的多个分布位置,并简化定位机构的负载重心,通过编制封装的面向对象语言C++计算程序,计算出二导轨四滑块直线运动滚动导轨副负荷重心多个位置的理论额定寿命值。结果根据计算获得的位置,将包装机械手抓取负荷的重心位置利用PLC控制及参数调整,实现了抓取包装机械手负荷重心位置偏置。结论通过实际应用,验证了理论计算的可靠性与可行性,负载包装机械手使用寿命得到了提高。     

Stability analysis of constraints in flexible multibody systems dynamics

Automated algorithms for the dynamic analysis and simulation of constrained multibody systems assume that the constraint equations are linearly independent. During the motion, when the system is at a singular configuration, the constraint Jacobian matrix possesses less than full rank and hence it results in singularities. This occurs when the direction of a constraint coincides with the direction of the lost degree of freedom. In this paper the constraint equations for deformable bodies are modified for use in the neighborhood of the singular configuration to yield the system inertia matrix which is nonsingular and also to take the actual generalized constraint forces into account. The procedures developed are applicable to both the augmented approach and the coordinate reduction methods. For the modeling of the constrained flexible multibody systems, a general recursive formulation is developed using Kane's equations, finite element method and modal analysis techniques. The system may contain revolute, prismatic, spherical or other types of joints, as well as geometrical nonlinearities; the rotary inertia is also automatically included. Simulation of a two-link flexible manipulator is presented at a singular configuration to demonstrate the utility of the method.     

助老服务机器人设计及仿人运动研究

针对老年人在日常生活中存在行动不便与认知障碍等问题,设计了一款操作简便、功能丰富的助老服务机器人。为降低助老服务机器人的操作难度,增强用户的体验性,通过建立人体手臂与机器臂的空间关节映射模型,实现了机械臂的仿人运动控制。首先,按照人体手臂与机械臂的结构及自由度分布情况初步建立人机关节映射模型,采用蒙特卡罗方法,对人体手臂和机械臂的工作空间进行仿真分析与对比。然后,针对人体手臂与机械臂在空间结构以及自由度分布上的差异导致的机械臂工作空间较小且无法完全复现人体手臂运动的问题,提出了相应的改进方案,并重新建立了人机关节映射模型;通过Kinect视觉传感器获取人体关节的空间位姿信息,并以人体左肩关节为原点建立人体坐标系,采用空间向量法及基于肘部约束的人臂逆运动学解法求解人体关节的位姿变化。最后,搭建了助老服务机器人仿人运动实验平台,对改进后的人机关节映射模型和相关控制算法的有效性及合理性进行了验证,实验结果表明关节重映射后机械臂能高度还原人体手臂的动作。研究成果对提高机器人的交互能力具有借鉴意义,对降低机器人的操作难度效果明显,也为后续研究更加复杂的仿人运动机器人奠定了基础。     

基于引力势场的包装机器人自动避障控制方法

目的 为解决自动化包装机器人机械手受到障碍物影响导致避障效果较低的问题,提出自动化包装机器人机械手自主避障方法.方法 建立自动化包装机器人行走轨迹运动模型,计算其线速度和角速度,完成自动化包装机器人的运动学分析;利用相邻2个自动化包装机器人之间的引力势场,计算自动化包装机器人所受的合力;设置自动化包装机器人机械手自主避障的状态方程,设计自主避障算法;结合自主避障流程,实现自动化包装机器人机械手的自主避障.结果 在U型障碍物路段和H型障碍物路段中设计了对比实验,实验结果表明,提出的自主避障方法无论在哪种类型路段,自动化机器人的工作效率都在75％以上,具有较好的避障效果.结论 适用于自动化包装机器人的机械手避障,为自动化包装机器人的研究提供参考.     

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。     

Failure mode analysis for a hazardous waste clean-up manipulator

This paper describes the application of Fault Tree Analysis to the design phase of a robot manipulator for hazardous waste retrieval. The robot is to be deployed in single-shell under-ground storage tanks at the US Department of Energy (DOE) site in Hanford, Washington. These tanks contain a variety of highly radioactive waste types, necessitating extremely safe and reliable manipulator operation. Based on preliminary design drawings of this long-reach manipulator, fault trees were constructed for several critical failure scenarios. Analysis of the trees revealed a number of ways to improve the safety and reliability of the manipulator design. This paper presents a summary of the fault tree analysis, with a discussion of the applicability of qualitative and quantitative fault tree methods to hazardous waste robotics.