用于不规则形状目标抓取仿生灵巧手的运动分析和控制仿真
这是一篇关于仿生灵巧手,运动学,可操作度,二次开发,控制仿真的论文, 主要内容为仿生抓持机构由仿生机械臂和末端灵巧手组成,是类人型机器人系统中最重要的一环。本文提出了一种以UR5机械臂为载体的新型抓取系统,设计了一种能够抓取不规则形状目标的16自由度仿生五指灵巧手。从结构模型设计,正、反向运动学分析,可操作度与奇异性分析,工作空间分析与二次开发优化设计等方面对其展开理论和仿真实验研究。首先,通过分析人在目标抓取过程中的肢体结构及动作特征,设计了一套仿生抓持机构。分析并使用了 6自由度UR5机械臂作为仿生系统的手臂,设计了一种拇指为4自由度,其余四指为3自由度的仿生五指灵巧手。通过齐次变换法、DH参数法推导了仿生系统机械臂和灵巧手的正向运动学模型。基于此,运用解析法推导了仿生机构的反向运动学模型,这为后续研究奠定了理论基础。其次,使用微分变换法对6自由度机械臂的雅克比矩阵进行了推导,通过位移方程求导法推导了灵巧手的速度雅克比矩阵。对仿生系统的可操作度进行了分析,结果表明,在约束条件下的机械臂系统中,当第六关节角为0°时能够得到最优可操作度,其中最优的三个关节角依次为:90°、50°、40°;通过对手指可操作度进行寻优,在指尖关节尺寸为25mm的情况下,拇指结构在同时满足关节角依次为-10°、-10°、31°、45°,指节长度依次为15mm,50mm,40mm时达到最优操作度;其余四指在同时满足三个关节角依次为85°、100°、80°,指节长度依次为60mm,40mm时达到最优操作度。对仿生系统的奇异性进行了判别,当机械臂第五关节角为0°、90°时机构处于奇异位形;灵巧手结构中拇指无奇异,其余四指中当θ3=0°时,满足关系θ1=θ2=0°或θ2=-2θ1+180°,θ1∈[40°,90°]时存在奇异解。再次,对仿生系统的工作空间进行了分析。基于MATLAB机器人工具箱,利用蒙特卡洛法对6自由度机械臂模型进行了工作空间的可视化分析。通过遍历运动学模型中的角度,对灵巧手五指分别进行了工作空间分析。进一步地,以最优可操作度映射的指节长度为优化指标,以工作空间为约束条件,建立了基于SolidWorks的仿生五指灵巧手模型二次开发系统。通过该二次开发系统,在能够保证灵巧手最优可操作度的情况下,针对需求工作空间快捷地建立起理想结构模型。最后,对仿生抓持机构设计开发了基于ROS与Gazebo的联合仿真平台。编写了基于ROS的URDF描述文件,利用Moveit助手搭建了深度相机、机械臂与灵巧手的联合模型,选用位置关节控制器用于模拟仿真。分析了灵巧手的抓取方式,分别进行了不改变姿态地侧握式包络抓取、侧握式多指尖捏取、变姿态地五指联合侧握式抓取以及顶握式捏取仿真实验,并编写了自动抓取与放置程序,进一步验证了仿真模型的有效性。
注射用药配药装置结构设计与研究
这是一篇关于配药装置,结构设计,运动学,动力学,有限元分析的论文, 主要内容为随着我国经济水平和医疗卫生事业的发展,医疗改革的持续深入,医院药房的数字化建设已渐成规模。为进一步提高药液配制工作质量,提高静脉用药配制的精确度,减少或避免在药物配制过程中的潜在风险,研制小型化、多功能的自动配药装置具有极其重要的现实意义。根据国内外研究现状以及对医院人工配药工作现状的分析,对配药装置的功能及性能参数精准定位,并结合人工配药流程以及医用配药设备的国家标准进行注射用药配药装置的总体方案设计。通过提取药液配制过程中的关键动作,基于模块化的设计思想,根据各功能模块特性,将注射用药配药装置分为配液装置、安瓿瓶上料装置和西林瓶上料装置三个集成装置,并对三个集成装置进行了动作分析、结构设计以及装配校核,建立了注射用药配药装置的三维结构模型,并对关键零部件进行了选型与计算。对配液装置的母液摆动模块进行了运动学及动力学仿真分析。采用矢量法和矩阵法建立了运动学模型,通过MATLAB求解得到摆臂方位角的角位移、角速度和角加速度的变化曲线以及摆臂端点的位移、速度和加速度变化曲线图,得出摆臂运行范围为-30°～30°并且曲柄转角分别在32°和214°时达到极限位置;利用牛顿-欧拉法建立了母液摆动模块机构的动力学模型,通过MATLAB求解得到电机转轴力矩随曲柄方位角变化的曲线图,以及曲柄与连杆铰接点、连杆与摆臂的铰接点和摆臂与支座的受力情况,绘制出受力变化曲线,由曲线变化趋势判断出机构运行较为平稳。在ADAMS软件中进行了运动学和动力学仿真,并与MATLAB计算结果比较,验证了理论模型的正确性,保证了验证机构可靠运行。利用ANSYS Workbench软件对注射用药配药装置的法兰轴、母液摆动模块机构和夹瓶机构进行了静力学分析,得到了这些部件在不同的极限位置时的等效应力云图与等效形变云图,发现法兰轴和母液摆动模块机构的结构强度满足设计要求;分析了弹簧卡箍壁厚在0.5 mm～1 mm范围内对夹持力的影响,得出0.7 mm壁厚的卡箍在满足夹持力的前提下,更有利于实现夹瓶动作。
基于柔性关节的人机协作机器人机械臂结构设计与研究
这是一篇关于人机协作机器人,柔性关节,串联弹性驱动器,运动学,导纳控制的论文, 主要内容为传统工业机器人因柔性与安全性问题导致人机空间隔离,因此机器人的柔顺性和安全性是实现人机紧密协作的首要任务与主要难点。串联弹性驱动器(SEA)是关节安全性和柔顺性的结构基础,本文设计的机器人关节基于串联弹性驱动器,设计了基于柔性关节的机械臂,并对柔性关节的能耗和柔顺控制算法进行了研究。本文主要研究内容和创新性成果如下:1.设计了基于SEA的中空柔性关节,扭转弹性元件使SEA结构更加紧凑,利用ANSYS对扭转弹性元件进行了应力应变分析,结果表明满足设计要求。2.进行外力冲击实验仿真研究,证明了扭转弹性元件对降低关节刚度的作用,利用Matlab对关节能耗进行了研究,得出增大关节阻尼能降低柔性关节高频能耗的结论,为关节设计添加旋转阻尼器找到了理论依据。3.设计了四自由度的机器人机械臂,采用D-H法计算了机械臂的运动学正解和逆解,雅克比矩阵,进行了运动学正解仿真,通过蒙特卡洛法得到机械臂的工作空间点云图。4.建立了柔性关节动力学模型,设计了位置内环、力外环的控制器结构,求解了位置开环传递函数和导纳控制参数,通过实验仿真得到位置跟踪曲线和交互力矩曲线,得出基于位置的导纳控制可以有效降低交互力矩。
仿生机器鱼建模与控制系统设计
这是一篇关于仿生机器鱼,机械结构设计,运动学,动力学,控制系统设计的论文, 主要内容为鱼类经过长期的物种选择,一直是水下环境中数量最大的动物族群,其原因之一就是其良好的推进性能,能够捕食猎物以及躲避大部分天敌。相比于大多数水下推进器包括螺旋桨式、喷射式等灵活性差、推进效率低的推进器,仿生机器鱼凭借其优异的性能吸引越来越多研究人员的注意。本文以游动能力显著的鲹科鱼类为原型设计了一种四关节仿生机器鱼,主要内容如下:(1)通过对比分析各种鱼类推进机理,选定鲹科加新月形尾鳍模式为机器鱼推进模式,在此基础上设计了仿生机器鱼的四关节机械结构,并基于鱼体波曲线拟合的思想采用遗传算法对机械结构进行优化设计得到柔性鱼体部分最优关节比例,经仿真验证,在相同运动参数情况下,提高了推进速度。(2)在四关节仿生机器鱼机械结构基础上,根据鲹科鱼类鱼体波动以及尾鳍复合运动的推进机理建立了机器鱼运动学模型以及动力学模型并通过ADAMS仿真软件仿真,分析了机器鱼模型的运动参数对机器鱼运动的影响。(3)在仿生机器鱼机械结构、运动学模型与动力学模型基础上设计机器鱼控制系统。控制系统硬件部分通过采用模块化的设计思想分别对运动执行模块、无线通讯模块、供电模块、感知模块进行设计与介绍;软件部分在硬件设计的基础上通过编程实现硬件模块的驱动、仿生机器鱼与上位机的无线通讯、基础运动控制以及基于红外传感器的避障控制。通过控制系统的设计与实现,表明了仿生机器鱼的机械结构、运动学与动力学模型的有效性,通过控制机器鱼模型的运动参数即可实现机器鱼的运动控制。
蛇形机器人臂测控系统设计与试验研究
这是一篇关于绳驱机器人,运动学,自适应阻抗控制,运动控制系统的论文, 主要内容为与传统刚性机械臂相比,蛇形机器人臂的运动学具有超冗余自由度特征,更方便携带操作工具进入狭窄且有障碍的半封闭空间内完成操作任务,在航空发动机、航天复杂结构件的非拆解内窥检测与维护等领域,有着广阔的应用前景。本文针对一种具有22个运动学自由度的蛇形机器人臂,在运动学建模与控制、闭环控制算法和运动控制系统软硬件设计等方面开展研究,实现了蛇形机器人臂在复杂结构环境中的内窥运动控制和环境交互功能。首先,根据蛇形机器人臂的应用场景和基本特点,对机器人的总体结构进行了简要介绍。针对蛇形臂的结构特点建立了机构运动学模型,分析了蛇形臂驱动空间、关节空间和任务空间三者之间的相互映射关系并进行了仿真分析。给出了蛇形臂的齐次变换矩阵,研究了关节空间至任务空间的正运动学求解问题,以及关节空间至驱动空间的逆运动学求解问题。基于B样条函数插值和末端跟随算法对蛇形臂的路径规划问题进行了研究,为实现蛇形臂在复杂狭小空间中完成内窥操作任务奠定基础。其次,为了提高系统操作的安全性,研究了蛇形机器人臂的自适应阻抗控制问题。为提高蛇形臂与环境的交互能力,设计了一种蛇形臂伺服刚度控制的方法。基于并联机构关节中单个驱动器的动力学建模和受控模型的建立,提出了一种新的自适应阻抗控制律设计方法。通过构造与系统状态和估计参数相关的积分函数,建立了估计参数的更新规律和闭环系统控制律,降低了模型不确定性对控制性能的负面影响。针对冗余驱动并联机构中每个驱动器分别采用自适应阻抗控制,利用自适应机制和阻抗控制下各驱动器力位信号有界稳定的特点,可实现并联机构驱动空间内的协调稳定控制。详细阐述了所设计的自适应阻抗控制律的实现方法,并通过仿真验证了算法的稳定性、闭环控制效果以及不同参数对控制器性能的影响。通过该自适应阻抗协调控制算法可以使蛇形臂具备良好的力位协调控制能力和动态响应特性,提高蛇形臂的运动柔顺性和交互操作的安全性。通过实验对自适应阻抗控制器的工程可行性进行了进一步的验证。论文研究过程中,设计并搭建了完整的蛇形机器人臂测控系统。测控系统采用PC机和运动控制卡结合的控制模式,主要包括通讯模块、伺服驱动模块和传感模块,以实现蛇形机器人臂的信息监测、运动控制和人机分离的操作模式;软件方面包含总体架构与功能组成、控制流程设计与闭环控制算法实现、系统状态监测与状态恢复以及上位机人机交互界面设计等,为完成期望的操作任务提供了良好的平台。为提高控制算法的稳定性,设计卡尔曼滤波器对绳索拉力进行实时滤波;为解决非线性方程组求解问题,基于扩展卡尔曼滤波设计了关节角度观测器并进行了验证。为了验证建模正确性、算法设计可行性、测控系统搭建方案合理性,开展了蛇形臂的模拟运动控制、轨迹跟踪精度和自适应阻抗控制等实验。通过单关节和多关节协同运动控制、开放空间和狭小半封闭空间内窥检测模拟控制等实验,验证了运动学建模的正确性以及测控系统的稳定性;通过轨迹跟踪精度实验验证了蛇形机器人臂的实际操作性能;通过自适应阻抗控制实验验证了控制算法的工程可行性,测试了控制器设计参数对被控系统运动性能的影响,完成了蛇形臂在复杂环境中的安全控制性能验证。论文最后,讨论了未来可进一步开展的研究和实验工作。
双向牙嵌式离合器载荷换向机理及特性研究
这是一篇关于双向牙嵌式离合器,载荷换向,离合特性,运动学,强度分析的论文, 主要内容为针对起重机在工作时普遍存在的钢丝绳缠绕不均、排绳紊乱等问题,根据排绳器的工作要求和特点以及排绳装置强排方案的比较与分析,结合三峡电厂的现状,本文提出了一种采用机械式丝杆自动正反转强排方案,为该方案设计了一种双向牙嵌式离合器结构的自动换向装置,对整个换向器系统进行了深入的理论与仿真研究,具有重要的理论价值和实际工程意义。本文具体研究工作如下:(1)分析了双向牙嵌式离合器的换向机理,当在接合位置时,弹簧力越大,则需要的换向载荷越大。并对离合器进行结构设计,确定了换向器接合齿的主要参数和结构。(2)根据双向牙嵌式离合器的结构特点与运动过程分析,得出了在载荷一定的情况下影响离合可靠性的因素,得到了离合器防自脱的条件,以及影响因素;根据离合特性,得出齿面倾角的范围(18.94°<α<44.88°),得出了当弹簧力一定时,齿面倾角越大,滑套更容易分离,且一次性接合成功的概率越大。(3)分别建立齿面倾角为20°、25°、30°、35°、40°不同齿型的模型,在安全系数为2的前提下设定弹簧弹力为80N,进行运动仿真,得出不同倾角下滑套的角速度、轴向速度、换向载荷、接合齿接触力的图形。经过对比分析,发现当锥轮转速,弹簧弹力一定时,齿面倾角越大,离合器分离时,需要的换向载荷越小,且换向载荷的增长的加速度与齿面倾角无关。分离后的最大角速度与轴向速度越大,导致滑套在接合前有一个更快的自转动,使得接合瞬间齿的接触力越大;不过在离合器接合稳定以后,齿面倾角越小,齿面的接触力波动就越小,结合更可靠。验证了离合特性分析的正确性。(4)最后通过有限元分析,得到不同倾角模型的滑套与锥齿接触时的应力、应变云图。在本文工况下,20°模型接触时应力最大,最大应力为5.453MPa,集中在滑套与轴的结合处,当工作载荷及外界条件一定,随着齿倾角的增大,滑套与锥齿的接触应力越小。为确定换向器所能承受的极限换向载荷,对其进行强度分析,当其换向载荷为500NM时,滑套与传动轴接合处的最大应力将达到了238MPa,超过了材料屈服强度235MPa,所以相对于其他齿型的模型,工作时转矩不能超过500NM,否则装置工作不安全;由于20°模型的弹簧预紧力为80N,其换向载荷为35.847NM小于500NM,换向器工作是安全的。根据设定的弹簧力的增大以及工作的安全系数可以得出换向器所能牵引的最大承重635.5吨。
坦克行动支架智能生产线设计与表面粗糙度预测模型
这是一篇关于坦克行动支架,智能生产线,铣削,表面粗糙度模型,运动学,几何学的论文, 主要内容为行动支架作为坦克行动装置和悬挂装置中的重要零部件,具有多样化、复杂化的外形特征和加工工艺,其生产质量关系整车的安全性和使用寿命。在“十四五”规划和“中国制造2025”战略的双重驱动下,行动支架的生产方式由传统的人机配合逐渐向智能化转变。离散化智能生产方式具备数据驱动的智能感知与协同管控能力,是突破传统生产单一化技术瓶颈的重要解决方案。然而,行动支架工艺装备柔性化不足是限制离散化智能生产的主要技术难题。另外,行动支架涉及大量的面铣削加工工艺,具有较高的精度要求,传统的接触式表面粗糙度测量不能及时的发现生产中的质量问题,选择合适的加工参数与刀具参数只能基于试错和人工经验,这无疑浪费了生产资源。因此,实现坦克行动支架离散化智能生产及质量管控成为亟待解决的难题。本文旨在解决以上技术难题。在山东省重大科技创新工程项目和山东省科技型中小企业创新能力提升工程项目的支持下,开展了坦克行动支架智能生产线设计及质量管控研究工作。设计了坦克行动支架智能生产线及其柔性化工艺装备,建立了用于质量管控的表面粗糙度预测模型,开发了表面粗糙度预测系统。主要研究内容如下:(1)分析了智能生产线和表面粗糙度预测模型的国内外研究现状,结合坦克行动支架离散化智能生产与质量管控重大需求,确定了本文研究内容和技术路线。(2)设计了坦克行动支架智能生产线及随行夹具工艺系统、物料输送系统、工艺装备系统,分析了可靠性。基于坦克行动支架生产流程结合总体设计要求,设计了生产线布局和主要功能;基于行动支架的形状特征和加工工艺,分别设计了生产线的随行夹具工艺系统、物料输送系统、工艺装备系统,并分析了主要装置的可靠性;进一步分析了坦克行动支架智能生产线的应用情况。(3)建立了坦克行动支架面铣削表面粗糙度预测模型,揭示了轮廓成形机制,探究了加工参数和刀具参数对表面粗糙度的影响规律,实验验证了模型的准确性。基于加工运动学和刀具几何学分析了轮廓的成形机制,考虑后切与重叠率边界条件,建立了面铣削表面粗糙度预测模型;利用数值分析重构了不同位置的二维轮廓和三维形貌;采用单因素分析分别探究了加工参数(每齿进给量、重叠率),刀具参数(刀尖圆角半径、刀片副倾角)对表面粗糙度的影响规律,并从轮廓成形机制上分析原因;通过面铣削7075航空铝合金实验分析了模型的准确性,并与ZMap表面粗糙度预测模型对比分析。(4)建立了考虑刀具跳动的表面粗糙度预测模型,揭示了刀具跳动影响下的轮廓成形机制,探究了刀具跳动对表面粗糙度的影响规律,实验验证了模型的准确性。分析刀具跳动影响下的轮廓成形几何学和运动学,在面铣削表面粗糙度预测模型的基础上建立了考虑刀具跳动的表面粗糙度预测模型;利用数值分析重构了不同刀具跳动下,相同位置的二维轮廓和三维形貌;分析了不同刀具跳动对表面粗糙度的影响,并从轮廓成形机制上分析原因;通过面铣削ZG32Mn Mo高合金铸钢实验分析了模型的准确性,并与面铣削表面粗糙度预测模型对比分析。(5)建立了基于卷积神经网络的动态表面粗糙度预测模型,揭示了动态因素影响下的轮廓成形机制,实验验证了模型的准确性。结合加工过程中刀具振动、弹性回复、刀具磨损对轮廓高度的影响分析,通过切削力建立了上述因素与表面粗糙度之间的映射关系公式;进行面铣削ZG32Mn Mo高合金铸钢实验采集数据集,以切削力作为输入信号,理论轮廓与真实轮廓高度差为输出信号,建立了基于卷积神经网络的动态表面粗糙度预测模型;进行了实验验证,分析了模型的准确性,并与刀具跳动的表面粗糙度预测模型对比分析。(6)开发了表面粗糙度预测系统,实现了坦克行动支架生产质量管控。结合基于刀具跳动的表面粗糙度预测模型、基于卷积神经网络的动态表面粗糙度预测模型以及总体设计要求,设计了表面粗糙度预测系统的主要界面、功能、程序,分析了各模块的使用方法;对接了表面粗糙度预测系统与坦克行动支架智能生产线的MES系统,进一步搭建了工件表面粗糙度可视化检测系统平台。
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