平推无扰曲线及其在机械臂无扰运动规划中的应用

为扩展对空间自由漂浮机械臂系统进行的载体姿态无扰运动规划的可解空间,提出一种新的运动规划方法.首先,首次提出一类平推无扰曲线,利用自由漂浮机械臂系统的非完整约束推导了平推无扰曲线满足的方程,并分析了平推无扰曲线的特性;其次,将满足载体姿态无扰的关节运动曲线分为两段,其中一段是经过目标点的平推无扰曲线,另一段是通过初始点并且和平推无扰曲线相交的一般无扰曲线;最后,基于Gauss伪谱法和直接打靶法的混合规划策略求解一般无扰曲线.数值计算的结果表明,本文提出的方法能够快速有效实现机械臂的无扰运动规划,并且该方法的可解空间几乎可以覆盖机械臂系统的整个工作空间.     

智能矿用转移机械臂优化及运动分析

为了提高矿井智能化程度,降低矿井运营过程中的人力成本,建立一种新型智能矿用转移机械臂系统模型,首先对设计方案进行参数确定,并通过优化理论得到定型设计参数,其次运用D-H方法对设计模型进行正/逆运动学分析,最后通过数值仿真对设计方案进行验证。研究结果表明:基座高度对于有效转移空间基本不存在影响,但随着基座高度的增加结构指标呈现增长趋势;随着机械臂基座与实际工作区域距离增加,有效转移空间在边界条件内呈现波动现象,且当机械臂基座与实际工作区域距离等于690mm时,有效转移空间最大;关节旋转副速度变化曲线光滑,整体运动平稳,转移机械臂在接近转移目标运动过程中各阶段曲线变化均较为光滑,故系统运行稳定,平顺性较高。     

基于视觉的机械臂空间目标抓取策略研究

空间非合作目标的探测和抓取是空间机械臂的重要应用目标,为了解决空间目标的位姿测量和捕获问题,本文深入分析了机械臂特性和目标特性,在建立机械臂、相机和目标的运动关系的基础上,基于立体视觉实现了对空间目标的位姿测量,控制机械臂进行抓取预定位.考虑立体相机的测量误差和机械臂的控制精度因素,在抓取末阶段采用单目相机,基于图像的视觉伺服策略控制机械臂进行精确位姿调整对目标进行抓取.通过机械臂对空间目标的抓取实验验证了该抓取策略的有效性.     

一种新型3-DOF串并混联拟人机械臂的研制

提出了一种新型3-DOF串并混联拟人机械臂及这种机械臂的基于性能图谱的概率参数设计方法, 对这种机械臂进行了运动学性能分析, 推导出这种混联机械臂的位置反解方程、速度传递平衡方程和静力传递平衡方程, 定义了速度传递性能评价指标、力传递性能评价指标及各全域性能评价指标, 绘制了各全域性能评价指标的性能图谱, 应用基于性能图谱的概率参数设计方法, 为这种机械臂选取了合理的结构参数, 同时, 考虑加工与装配工艺性, 设计了一种 3-DOF串并混联拟人机械臂, 为这种机械臂的应用奠定了基础. 这种机械臂具有运动灵活、刚度大、惯性小和工艺性好等优点, 在精密抛光、航空、造船、汽车等现代工业领域有广阔的应用前景, 这种机械臂与球面三自由度并联机构串联在一起, 可构成 6-DOF串并混联拟人机械臂.     

嫦娥三号月球车机械臂探测点定位方法

结合中国嫦娥三号月球车探测的科学应用目标,提出了一种基于投影变换的机械臂探测点定位方法.该方法在总结鱼眼镜头成像模型基础上,建立球面投影与透视投影间的转换关系,求得球面投影中像主点坐标和球半径,利用相关参数将球面投影图像转化为透视投影图像;结合月球车上鱼眼相机的安装位置相对固定,将转换后的透视投影图像重采样生成核线影像.利用相关系数和最小二乘匹配,在鱼眼相机核线影像上实现特征点的亚像素级匹配.通过前方交会计算探测点的三维坐标,并结合探测点邻域点坐标拟合最佳空间平面,获取平面的法向量,即机械臂探测点的定位.采用该方法对仿真图像进行了定位计算,并将计算值与仿真真值进行比较,总误差约为2 mm.实验结果表明,该方法完全能够满足嫦娥三号月球车机械臂探测的定位精度.     

月面采样机械臂采样位形分析与优选

在月面采样任务中,受土壤反作用力、能耗等因素影响,机械臂采样位形会影响其采样性能.为了准确评估采样位形对采样性能的影响,提高采样任务执行的可靠性,提出了机械臂采样位形分析方法与优选策略.首先,分析机械臂与采样器、采样器与铲挖执行机构之间的耦合关系,建立机械臂与采样器的联合动力学模型;其次,分析采样过程中机械臂位形与土壤反作用力、机械臂末端抗偏移能力、关节运动行程以及运动能耗之间的关系,并构建量化指标对采样性能进行评估;进而,根据构建的采样性能评价指标,构建考虑采样点区域、关节轨迹等多种约束的多目标最优化问题框架,设计基于NSGA-2多目标遗传算法的采样位形优选策略;最后,以嫦娥五号采样机械臂为对象进行实验分析.实验结果验证了本文提出的采样位形分析方法与优选策略的有效性,相关结论为嫦娥五号采样机械臂实际采样指令的生成提供了参考依据.     

离子束修正光学镜面误差中拼接加工方法研究

由于离子束加工机床工作运动空间的限制, 为了加工大型光学镜面, 本文提出了一种全新光学镜面加工方法——拼接加工方法. 论文首先从理论上分析解决了拼接加工工艺的系列关键技术问题, 如： 面形控制模型、拼接加工驻留时间解算算法、加工定位参数辨识与补偿等. 基于CCOS成形原理, 通过分析拼接加工面形控制机制, 建立了光学镜面拼接加工有限域叠加的非线性面形控制模型; 依据拼接加工有限域非线性问题特征, 提出了基于Bayesian原理的改进型SRL迭代法较好地解决了拼接加工的驻留时间求解问题; 通过分析拼接加工中对刀误差和材料去除率对加工精度和加工面形的影响分析, 提出了一种光学镜面离子束定位误差、去除率等工艺参数辨识算法. 通过上述研究, 首次建立了光学镜面离子束拼接加工基本加工理论、方法和工艺流程. 拼接加工工艺实验表明： 误差补偿后的加工收敛率可达10. 本文提出的理论和方法通过有效地解决拼接加工的关键技术问题使拼接加工与全口径加工一样, 能够实现对镜面的精确修形. 与此同时大大节约了加工系统制造和加工成本.     

QD-RRT:基于Q距离函数和快速扩展随机树的机械臂运动规划方法

在传统运动规划算法快速扩展随机树(rapidly-exploring random trees, RRT)的基础上,引入了目标偏置策略和一种基于Q距离(Q-distance, QD)函数的避障方法.在随机树生成过程中,首先通过目标偏置策略引导随机树以一定概率朝目标点生长.若机械臂在新生成的路径节点所表示的位形处与环境障碍物发生碰撞,则使用Q距离函数快速高效地计算二者的嵌入距离,并利用Q距离函数的可微性,计算碰撞点的Q距离函数关于机械臂各个关节角度的梯度,对原有的路径点进行修正.这减少了RRT算法在路径扩展过程中的盲目性、随机性.使用MATLAB与CoppeliaSim机器人仿真软件对该算法进行仿真实验验证, QD-RRT算法与传统RRT算法相比,收敛速度更快,生成的路径质量更优.当环境空间障碍物较复杂或路径需要穿过狭长通道时,该算法优势更加明显.同时,该算法也可应用于RRT的某些改进算法中,例如RRT*.本文也将RRT*与QD-RRT*做出了比较.     

大尺寸关节支架的3D打印及应用

人工关节假体的置换与长期植入后的失效问题将造成关节组织不可恢复的损失,小块可降解骨软骨关节支架具有恢复病变关节的力学环境和诱导新生组织生长的能力,为大尺寸关节病变缺损修复提供了新的治疗策略.大面积深层病变软骨关节病变位置的生理结构与力学环境的分析,以及多材料复合关节支架的仿生制造与手术方案是治疗方案开发的难点.本文提出一种新型多材料关节支架的仿生设计与制造技术和植入方法.以诱导组织生长为导向,选择聚乙二醇凝胶(polyethyleneglyco,PEG)、β-磷酸三钙陶瓷(β-tricalcium phosphate,β-TCP)、聚乳酸(polylactide,PLA)等生物材料开发新型支架;以羊膝关节为研究对象,通过反求工程、有限元分析和3D打印技术,利用有限的影像学数据信息,建立膝关节模型和易病变软骨区域;基于支架生理结构特征与关节缺损区机械承载能力的映射关系,建立大块仿生骨软骨支架的结构与稳定性固定结构.实验证明该支架在置换初期较好地恢复了缺损关节的力学环境.所提出的方法和支架有望为大面积骨软骨缺损的修复提供一种新的治疗方案.     

大型复杂构件机器人移动加工技术研究

大型复杂构件,如大型风电叶片、航空结构件、高铁车体结构件等在航空航天、能源和交通等领域有着广泛应用.为解决大尺寸大型复杂构件的自动化智能化加工,将工业机器人集成在移动平台上,组成移动机器人加工系统,进一步增加机器人加工的工作空间与灵巧度,为大型复杂构件的高效精密加工提供了新思路.本文针对大型复杂构件的移动加工方案,分别从移动加工动力学与控制、移动加工多机器人协作与移动机器人测量三个角度对现有文献进行综述.阐述移动机器人加工的整体实施思路与与之相关的研究现状.进一步地,通过对移动机器人加工动力学进行理论建模和实验分析,得到移动机器人加工的动力学特性,发现移动机器人加工振动主要为周期性加工力所激发的移动机器人与工件的耦合振动.最后,设计了T-S模糊控制器,控制机械臂对工件的恒力匀速磨抛加工.仿真结果表明,采用模糊力位混合控制器能够很好的实现移动机器人对工件的恒力匀速打磨.     

数控机床高速微线段插补算法与白适应前瞻处理

数控加工在机械制造领域具有举足轻重的作用,如何在满足加工精度和机床加速度约束的前提下提高加工速度是数控加工的一个关键问题．在由G01代码产生的连续微小直线段加工中,通过线段连接处的速度是制约加工速度的瓶颈．本文提出一种在直线加减速方式下,满足加工精度要求,充分利用机床各驱动轴最大加速能力用多个插补周期进行拐角过渡的方法,来提高线段连接处的通过速度．该方法在一定意义下实现了时间最优加工．本文还提出一种新的前瞻处理与动态修调方法,有效提高了整体加工速度．以上算法在蓝天数控系统上进行了实际加工验证．与若干已有算法相比,根据机床加工参数不同,加工速度提高了50％～180％;同时获得较好的加工质量;算法能够满足实时在线加工需求．     

欠驱动三连杆机器人的混杂控制方法

针对第二关节为被动关节的欠驱动三连杆机器人,提出一种混杂控制方法．欠驱动三连杆机器人的运动空间分为3个阶段：退化阶段、摇起阶段和平衡阶段．首先,在退化阶段,对第三关节构造Lyapunov函数,并针对此函数设计控制律使其连杆相对于前一连杆自然伸展,使系统退化为类Pendubot机器人;同时基于能量不断增加的思想设计第一关节控制律,以节省后阶段的能量控制时间．其次,在摇起阶段,保持第三关节控制律形式不变;通过仅控制系统能量和同时控制系统能量、角速度两种方法设计第一关节控制律,使系统进入平衡区．最后,对退化后的系统采用线性控制将其稳定在竖直向上不稳定平衡点上．数值仿真结果表明文中所提方法具有控制时间短,所需力矩小等优点．     

刀触点网格上整体光顺五轴数控加工刀轴方向的模型与算法

针对球头铣刀的五轴数控加工,分析了刀轴方向对切削力的影响,根据刀轴方向变化的度量指标,提出了在刀触点网格的可行空间中整体光顺刀轴方向的模型与算法,该方法有两个优势:可以同时保证进给和相邻行两个方向上刀轴方向的整体光顺性;仅需要计算网格点处的可达方向锥,提高了计算效率.用仿真方法分析了整体光顺刀轴方向对加工效率、机床进给运动平稳性和切削力的影响,并用实验验证了规划的刀具路径.     

基于拉格朗日方程和模态理论的纺机柔性机械臂弹性振动与轨迹运动控制

针对纺机机械臂系统在使用过程中时效性和稳定性较差等问题,基于拉格朗日方程和模态理论对纺机柔性机械臂系统进行动力学建模,通过时间尺度对纺机柔性机械臂系统弹性振动和转动副轨迹追踪进行研究。研究结果表明:载体位姿角实际轨迹与期望轨迹能够在短时间内迅速同步,追踪误差在时间范围内实际轨迹与期望轨迹基本一致;在鲁棒控制条件下纺机柔性机械臂追踪误差变化幅值相对于常规PD控制较小,系统追踪误差达到稳定值所需时间也较短;由于系统引入主动振动抑制方法,系统在运行过程中相对于未引入振动抑制系统,一阶模态幅值明显下降,初始阶段波动明显减小。     

基于可视锥的可接近性分析方法及其应用

可接近性是一种重要的产品特征, 可接近性分析已成为解决不同制造过程中所出现的计算制造问题的有力工具. 讨论了可达性、可接近性和可视性等概念之间的关系, 提出了一种基于可视锥的可接近性分析一般方法. 在点的可视锥基础上, 定义了完全可视锥、部分可视锥和局部可视锥等几类特征可视锥, 并给出了一个基于C-空间的可视锥计算方法. 最后探讨了如何应用可视锥实现数控加工、CMM测量和装配顺序规划等制造过程中的可接近性分析.     

天宫二号机械手关键技术及在轨试验

空间机械臂可以降低宇航员舱外活动风险,提高空间探索效率,具有广泛的应用前景.近年来随着机器人技术的发展,空间机械臂逐渐成为空间技术领域的热点研究方向.天宫二号空间实验室任务中的人机协同在轨维修科学试验是天宫二号三大关键试验任务之一,其核心是天宫二号机械臂系统.这是一套集成了多种传感器、具备多种控制模式的舱内空间机器人系统,包括6自由度机械臂、五指仿人灵巧手、手眼相机和全局相机、在轨人机接口(空间鼠标和数据手套)等模块,其设计目标是:在空间微重力环境下与航天员配合完成多种演示验证任务;对空间机器人关键技术以及在轨人机协同关键技术进行验证和评价;为空间机器人辅助或配合航天员开展在轨维修积累经验和数据.针对人机协同中的安全性问题,采用基于可变步长的轨迹规划方法,使机械臂在与周围环境发生接触时能够局部智能地调整其运动轨迹,达到减小或者消除碰撞力的目的;针对五指灵巧手的抓握控制问题,提出了基于目标物体笛卡尔刚度的协调抓握控制方法,以适应外力的变化达到稳定抓握的目的;针对数据手套与灵巧手之间的位姿映射问题,采用基于指尖位置的人手与五指灵巧手运动映射方法以达到精确位姿映射.天宫二号机械臂系统于2016年9月15日随天空二号空间实验室发射入轨.在10月27日到11月13日期间,宇航员与机械臂系统协同开展了动力学参数辨识、抓漂浮物体、与航天员握手、在轨维修等试验,成功完成了所有预定任务,为今后空间机器人的应用奠定了基础.     

柔性机械臂正则化逆动力学的有理分式模型

提出了柔性机械臂正则化逆动力学的有理分式模型,论证了该模型了对计算机力矩病态行为的抑制作用,并讨论了正则化参数选取实现轨迹跟踪精度与计算力矩频率带宽之间折衷的含义。计算机数值仿真结果印 该方法有效性。     

闭环式逐点比较法联动控制的研究

利用垂直运动平台和旋转运动平台联动形成相对螺旋运动得到被测螺纹的包络轮廓面,是基于数字化包络轮廓面的螺纹综合参数测量法的重要测量环节之一。为满足螺纹综合测量机联动控制需要,提出一种基于光栅反馈的闭环式逐点比较联动控制方法。为保证控制系统的实时性,设计了基于硬件查询RAM速度表的速度和加速度驱动模式。通过改进开环式逐点比较法的偏差函数,将光栅反馈引入到其中,结合硬件查询RAM速度表的速度和加速度驱动模式形成了闭环式逐点比较法。理论分析表明,该控制方法联动轴向位置精度可达到0.1μm,具有控制平稳、超调量小等优点。仿真实验结果表明,该联动控制方法能够及时修正联动失调,实现高精度联动。     

GNSS星间链路测量与通信新方法研究

本文研究了GNSS星间链路测量与通信系统的关键技术.通过对标准型Walker24/3/2星座卫星的星间几何特性和空间参数的分析,设计了一种具有低跳数全网覆盖通信能力的星间固定链路拓扑结构,有效的减少了星间链路的数量,增强了系统的可实施性和可靠性.提出了一种新的时分双工方式和测量与通信一体化的信号体制,详细推导了新体制下采用双向扩频非相干信息帧测距与时间同步算法的计算公式、误差的模型和修正方法.理论分析与仿真结果表明本文所设计的GNSS星间链路测量与通信系统较现有的GPS系统具有更高的测距/时间同步精度、更高的测距效率、更有效的信道利用率和更大的数据传输率,而且不受星座构型的限制,既适用于MEO星座,也适用于未来MEO和GEO等混合星座,为新一代GNSS星间链路的建设提供了有力的技术支持.     

基于Bayes-Monte Carlo的突发事件应急方案风险决策方法研究

为解决突发事件应急方案选择中信息不确定和随机性的问题,提出一种基于贝叶斯(Bayes)和蒙特卡洛(Monte Carlo)的风险决策方法。首先基于事发现场实际情况,应用贝叶斯决策理论,构建多元正态分布模型;然后针对权重随机性的特点,采用蒙特卡洛模拟算法进行模拟;通过计算各方案获得特定排名的可信度及整体排名可信度因子,得到方案排序,从而减小了不确定性信息对应急决策过程的影响。最后通过核电站事故应急决策的例子,验证了所提出方法模型的有效性和可行性。