Motion function reliability analysis of a rotating flexible beam with random parameters

The assumed mode method and stochastic response surface method are combined to analyze the motion function reliability of a rotating flexible beam with random parameters. Firstly, based on Lagrange's equations and the assumed mode method, the rigid-flexible coupling dynamic model which takes the coupling term of the deformation in the expression of longitudinal deformation is studied. Then considering the physical and geometrical parameters under randomness, the probability analysis is made by the stochastic response surface method. The rationality and efficiency of the modeling and the method presented are verified by an example. The results demonstrate that the third order stochastic response surface method leads to good precision with acceptable time consumption compared with the Monte Carlo (MC) method, and that the randomness of density has a greater effect on the reliability of the system.     

压电柔性机械臂的轨迹跟踪控制

提出一种利用压电材料对柔性机械臂进行末端轨迹跟踪控制的方法．利用假设模态法,采用压电作动器和传感器同位配置,根据Lagrange方程建立了单连杆柔性机械臂的动力学模型;针对柔性机械臂的非最小相位特点,以刚性旋转关节的转角为控制输出、以压电作动器抑制柔性机械臂的末端振动,基于Lyapunov函数,采用PD(proportional-differential)控制策略实现了对柔性机械臂进行末端轨迹跟踪控制．仿真结果表明,压电作动器很好地抑制了柔性机械臂末端的振动,末端的轨迹跟踪由关节驱动和压电作动共同完成,PD控制算法简单,易于工程实现．     

伪蒙特卡罗法及其在边坡可靠度分析中的应用

在确定具有最小可靠度指标的滑动面（即临界可靠度滑动面）时,由于常规的蒙特卡罗法抽样耗时巨大,临界可靠度滑动面的获得较为耗时。对于均质边坡,利用简化Bishop法构建了可靠度分析的功能函数,设计了6种随机变量的标准差组合,假定了随机变量的4种抽样范围,利用抽样次数较小的蒙特卡罗法即伪蒙特卡罗法对随机生成的132组可行滑动面进行了伪可靠度指标的计算并与蒙特卡罗法计算得到的可靠度指标进行了比较分析,研究发现：只有一个随机变量的前提下,滑动面的伪可靠度指标与蒙特卡罗法计算的可靠度指标呈完全线性关系,在其它条件相同的情况下,伪蒙特卡罗法抽样范围越大,伪可靠度指标与蒙特卡罗法计算的可靠度指标之间的拟合直线斜率越小,反之亦然;伪蒙特卡罗法抽样次数越大,伪可靠度指标与蒙特卡罗法计算的可靠度指标之间的拟合直线斜率越大,反之亦然。对均质边坡,可应用伪蒙特卡罗法快速计算其临界可靠度指标。     

自由漂浮柔性空间机器人轨迹跟踪控制

引起针对自由漂浮柔性空间机器人的轨迹跟踪控制问题,利用拉格朗日和假设模态法建立了动力学模 型,综合考虑其欠驱动、柔性振动等特点,将其简化为一种带有柔性振动扰动完全可控的动力学模型;在此基 础上,考虑载体姿态干扰,提出一种改进自适应非奇异终端滑模控制策略,该方法采用自适应技术实时在线 学习扰动参数,并引入条件积分改进滑模面消除干扰的稳态误差,从而保证所设计的控制律对扰动具有 良好的鲁棒性;最后,基于Lyapunov方法证明了该控制策略能够实现关节期望轨迹的跟踪．仿真结果表明该 控制策略对载体姿态干扰下系统轨迹跟踪控制的有效性和可靠性     

ZrO2陶瓷颗粒在激光作用下组织形貌演变规律

基于Chebyshev扩张函数的空间机械臂区间运动精度可靠性分析

魏娟，张建国，杜小松

（北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院，北京 100083）

创新点说明：

本文提出了Chebyshev扩张函数（CIF）来逼近参数激励系统的动态响应函数，然后基于机构可靠性分析方法和区间不确定性模型评估了空间机械臂的运动精度可靠性（MAR）。

研究目的：

1）空间机械臂的运动精度可靠性受设计变量的影响，空间机械臂部分设计变量为区间变量；

2） 运动精度可靠度与设计变量之间的关系通常是隐式的。

研究方法：

1）运用Chebyshev扩张函数（CIF）来逼近参数激励系统的动态响应函数；

2）基于机构可靠性分析方法和区间不确定性模型评估了空间机械臂的运动精度可靠性（MAR）；

3）运用双连杆机械臂案例，连杆的长度和力矩为区间变量，计算速度的精度可靠性。计算结果与蒙特卡洛方法计算的结果进行对比。

结果：

与传统的蒙特卡罗模拟（MCS）相比，所提出的方法需要更少的样本以获得更准确的可靠性。

结论：

本文提出一种基于CIF的MAR分析方法，用于涉及区间不确定参数的机械手。在该方法中，应用CIF来估计区间函数的界限，并控制区间运算中的高估。CIF方法可以量化区间不确定性信息对柔性机械手的动态响应的影响。基于非概率可靠性理论，预测了双连杆柔性机械臂的MAR。为了验证CIF方法，应用MCS方法来计算MAR。作为自然结果，所提出的方法可以用纯间隔参数模拟柔性机械手的动力学。双连杆机械手的情况表明，该方法可有效解决纯间隔参数的不确定性问题。最后，通过使用全局灵敏度分析进行对灵敏度进行分析以促进优化设计。

关键词：空间机械臂，运动精度可靠性，区间理论，Chebyshev扩张函数 (CIF)

     

Dynamic modeling and analysis of 3-RRS parallel manipulator with flexible links

The dynamic modeling and solution of the 3-(R)RS spatial parallel manipulators with flexible links were investigated. Firstly, a new model of spatial flexible beam element was proposed, and the dynamic equations of elements and branches of the parallel manipulator were derived. Secondly, according to the kinematic coupling relationship between the moving platform and flexible links, the kinematic constraints of the flexible parallel manipulator were proposed. Thirdly, using the kinematic constraint equations and dynamic model of the moving platform, the overall system dynamic equations of the parallel manipulator were obtained by assembling the dynamic equations of branches. Furthermore, a few commonly used effective solutions of second-order differential equation system with variable coefficients were discussed. Newmark numerical method was used to solve the dynamic equations of the flexible parallel manipulator. Finally, the dynamic responses of the moving platform and driving torques of the 3-RRS parallel mechanism with flexible links were analyzed through numerical simulation. The results provide important information for analysis of dynamic performance, dynamics optimization design, dynamic simulation and control of the 3-RRS flexible parallel manipulator.     

Dynamic reliability analysis of spacial flexible beam

In order to investigate the dynamic response reliability of the spacial flexible beam, the Monomial Cubature Rules (MCR) based Stochastic Response Surface Method (SRSM) is applied to derive the surrogate model of the nonlinear implicit limit state function. A small set of sample pairs for flexible beam dynamic response is generated by taking the integral points of MCR as sample points. Based on these sample pairs and SRSM, the surrogate model of the implicit limit state function is established. The results show that the proposed method has an excellent performance in terms of accuracy and efficiency compared with the Probabilistic Collection Method (PCM) based SRSM and Monte Carlo method, and that the dispersion of system parameters has a significant effect on the dynamic response reliability of the spacial flexible beam.     

柔性并联机器人运动学与动力学约束及系统方程

为了建立包含柔性杆件的并联机器人的动力学模型,利用运动弹性动力学理论及有限元方法.分析了柔性并联机器人各支链的弹性变形、弹性位移及其耦合关系,提出了柔性并联机器人的运动约束条件和动力约束条件,建立了平面柔性并联机器人的系统方程.以平面3-RRR柔性并联机器人为例,用SAMCEF软件验证了模型的正确性,二者最大相对误差小于9%,说明该动力学模型能正确反映柔性并联机器人的弹性振动特性.     

随机激励下随机参数超空泡结构的动力可靠度

针对具有随机参数的超空泡结构在随机激励下的动力可靠性问题,使用八节点超参数壳单元对超空泡航行体建模,将超空泡尾部受到的冲击载荷及滑行力简化成2个存在某一相位差的平稳随机过程,利用虚拟激励法将双随机问题精确地转化为单随机问题.应用Newmark法结合虚拟激励摄动法计算出随机结构的应力响应,进而求出随机参数超空泡结构动力可靠性所需的全部数字特征.由首次超越破坏准则的动力可靠度公式,求出随机参数超空泡结构动力可靠度的均值和方差的计算公式,解决了具有随机参数超空泡结构的动力可靠性问题.通过算例与Monte Carlo方法结果的比较,验证文中方法的可行性和有效性.     

协作机器人机构运动可靠性研究

机构在运动过程中受到多种随机因素的影响。为提高机构运动可靠性,在设计之初对其进行运动可靠性评估十分重要。基于D⁃H法和有限元法建立协作机器人机构误差模型,使用四阶矩法建立机构运动可靠性模型,基于包络函数法建立机构运动区间可靠性模型,使用ADAMS建立含间隙刚柔耦合参数化模型,利用ADAMS/insight对协作机器人进行运动可靠性仿真,并计算9 s内的运动可靠度。通过和蒙特卡洛仿真（MCS）对比,证明了四阶矩法和包络函数法在分析运动可靠性问题上的优势。     

Stochastic dynamic analysis of a spatial flexible beam

The uncertainty dynamic response of a spatial flexible beam with large overall motion is investigated. The stochastic differential equations of a three-dimensional beam with large overall motion are derived by using the virtual work principle. The polynomial chaos method and monomial cubature rules are applied to derive a set of completely implicit differential equations. Then the polynomial coefficients are obtained by the variable order method and regression method so as to find the numerical characteristics of the response. As an illustrating example, dynamic modeling of a spatial flexible beam by considering the probabilistic of geometric and physical parameters is presented. The accuracy and efficiency of the method are verified by comparing the results with those given by the Monte Carlo simulation method. The results show that the probabilistic parameters have a significant effect on the dynamic response of the flexible beam and that the dynamic modeling with probabilistic parameters can objectively reflect the dynamic behavior of the objective systems.     

基于自适应神经网络的柔性关节机械臂控制

柔性关节机械臂系统是一个非线性高阶系统,且其动力学方程难以精确地获得。因此,提出一种以关节驱动电机的输入电压为控制量的自适应神经网络控制器,用于控制多连杆柔性关节机械臂系统。所提控制方法通过对柔性关节机械臂模型解耦得到关节转角关于电压的方程,以电压为系统控制输入。设计神经网络控制器用于逼近最优控制输入,并设计鲁棒控制器补偿逼近误差。该控制方法不再涉及复杂的动力学方程,因此能简化计算。相比已有控制方法,所提出的控制策略更简单、响应更快且更有效。并以二连杆柔性关节机械臂为例进行了仿真研究,结果证明了所提出控制方法的有效性。     

Dynamic reliability analysis of supercavity vehicle with stochastic parameters under impact loads

With dynamic reliability problems of stochastic parametcrs,supercavity vehicle is subject to impact loads.The supercavity vehicle is modeled by using eight-node super-parametric shell elements.The tail...     

基于输出反馈线性化的机械手随动控制

为机械手线性化和随动控制设计了一种滑动模态扰动观测器.在观测系统状态的同时,估计由系统的非线性和模型的不确定性和外来的干扰所造成的广义扰动.它使非线性、强耦合的机械手系统可以仅靠关节角反馈实现线性化和解耦,且控制器的设计不依赖于机械手的精确模型.二连杆机械手仿真研究表明,在机械手荷载大范围变化的场合下,该控制器的随动控制性能优于采用全状态反馈线性化的控制器.     

模块化协作机器人运动特性分析及动力学仿真研究

针对UR10模块化协作机器人的构型特点,采用D-H坐标变换法建立其运动学坐标系,采用逆变换法对机器人进行逆运动学求解,求得各个关节转角。运用拉格朗日法对UR机器人进行动力学分析,利用ADAMS多体动力学仿真软件对其进行动力学仿真。结果证明,该模块化协作机器人具有良好的静态平衡性能、运动稳定性和动态响应特性。     

螺杆泵挠性轴疲劳寿命可靠性分析

针对螺杆泵挠性轴在使用中频繁发生断裂这一问题, 用概率分析方法有针对性地给出其安全使用概率与寿命之间的关系。在计算挠性轴疲劳裂纹扩展寿命过程中, 考虑几种主要参数的不确定性因素:初始裂纹长度、工况载荷、断裂韧性、裂纹扩展速率等, 针对随机参数的分布特征, 对其进行模拟实际操作工况抽样, 应用MonteCarlo 数值计算方法计算挠性轴寿命, 得出可靠度随时间变化规律曲线。通过对计算结果的分析, 找出挠性轴设计中存在的问题, 并提出相应改进意见。     

串联旋转关节空间机器人的动力学仿真系统

空间机器人由于基座可以自由运动,增加了自由度,其运动学和动力学模型比地面固定基座机器人要复杂得多,而且低轨航天器受重力梯度影响较大。首先推导了空间机器人的运动学方程,并采用拉格朗日方程建立了正动力学模型,然后基于牛顿-欧拉法推导了空间机器人的耦合动力学方程,给出了动力学非线性项的数值计算方法,还推导了空间机器人在轨运动时的重力梯度力矩。最后,针对一类串联旋转关节的空间机器人,采用模块化设计的思想建立了动力学仿真模型,利用所建仿真模型对空间机器人的操作任务进行数值仿真,分析了重力梯度力矩的影响,提出了减小这些影响的建议。     

柔性机械手关节角位置的控制

通过利用角位置和速度传感器检测的信息 ,实现对双连杆柔性机械手的控制。研究了柔性机械手角位置控制的方法、硬件组成和软件流程 ,并进行了实验验证。     

基于四阶矩估计的机器人运动可靠性分析

为了研究串联型机器人的连杆尺寸偏差和关节间隙对运动可靠性的影响,将机器人运动路径离散成一系列插补点,有效的运动路径要求每一个插补点的位置误差均在精度范围之内.以离散点的位置误差为随机变量,通过研究路径中所有离散位置点误差的极值分布,基于最大熵原理建立机器人系统的功能函数.采用四阶矩估计法,对机器人的可靠性进行计算.与传统的一阶可靠性方法、一次二阶距估计法及Monte Carlo模拟进行对比分析.结果表明,采用四阶矩估计方法能够提高计算精度,显著缩短计算时间.     

Monte Carlo法模拟CFRP加固梁的抗弯可靠度

根据可靠性理论，编制了基于Marlab软件的Monte Carl。计算程序，直接产生服从各相应概率分布函数的随机变量数组，从而使编程过程大为简化，解决了Monte Carl。直接抽样困难的难题。通过对16根CFRP加固混凝土实验粱受弯实验，得到了随机变量的统计参量。采用基于Marlab的Monte Carlo法完成了对CFRP加固混凝土梁抗弯可靠度的数值模拟。结果表明，计算可靠指标与基于实验的AEOSM法计算可靠指标一致，且计算简便快捷。