簡介：天津大學博士學位論文可重構混聯機械手模塊TRIVARIANT的精度設計與運動學標定方法研究姓名洪振宇申請學位級別博士專業(yè)機械制造及其自動化指導教師黃田20070101天津大學博士學位論文ABSTPACTTHISDISSERTATIONDEALSWITHTHETHEORYANDMETHODOLOGYFORTHEACCURACYPROBLEMOFA5DOFRECONFIGURABLEHYBRIDROBOTMODULEINCLUDINGERRORMODELING，ACCURACYSYNTHESISANDKINEMATICCALIBRATIONTHEFOLLOWINGCONTRIBUTIONSHAVEBEENMADE口THE鋤RMODELSOFTHETRIVARIANTANDTHETRICEPTROBOTSALEFORMULATEDUSINGTHEMETHODOFVECTORCHAINANOVELAPPROACHFORERRORMODELINGISPRESENTEDFORSUCHROBOTSITCALLBECONCLUDEDTHATTHECOMPENSATABLEANDUNCOMPENSATABLEERRORSOFTHEMOBILEPLATFORMAREDOMINATEDBYTHEERRORSOFTHEUNCONSTRAINEDUPSLIMBSANDPROPERCONSTRAINTUPLIMBITSHOWSTHATTHETRIVARIANTROBOTHASCOMPETITIVEACCURACYPERFORMANCEINCOMPARISONWITHTHETRICEPTROBOTPROVIDEDTHATTHETASKWORKSPACEANDDIMENSIONALPARAMETERSAREIDENTICAL口BYTAKINGTHETRIVARIANT舔ANEXAMPLEANOVELAPPROACHFORSENSITIVITYANALYSISISPROPOSEDFORSUB6PARALLELMECHANISMSWHICHTHEPROPERCONSTRAINTLIMBSUCHMETHODHASDISTINCTLYPHYSICALMEANINGANDENABLESTOPROVIDEAGUIDANCEFORTHEDESIGN，MANUFACTURIIAGANDASSEMBLY口THEMETHODFORKINEMATICCALIBRATIONISINVESTIGATEDBASEDONTHEMEASUREDDATAUSINGDOUBLEBALLBARFIRSTLYTHEMAPPINGMODELBETWEENTHEMEASUREDVALUESANDTHEGEOMETRICSOURCESERRORAFFECTINGTHECOMPENSATABLEERRORSOFTHEMOBILEPLATFORMISCONSTRUCTEDTHENTHEMETHODFORPROPERLYASSIGNINGTHEASSEMBLYLOCATIONANDNUMBEROFDOUBLEBALLBARBYTAKINGTHECONDITIONNUMBEROFTHEIDENTIFICATIONMATRIXOFERRORPARAMETERSASEVALUATIONINDEXFINALLYTHEFEASIBILITYANDEFFECTIVENESSOFTHEPROPOSEDMETHODISVERIFIEDBYTHECOMPUTERSIMULATIONSANDEXPERIMENTS口BYTAKINGA5DOFHYBRIDROBOTWITHRELATIVELYLARGEWORKSPACE／LIMBSTROKERATIO，NAMEDTRIVARIANTB，ASANEXAMPLE，TWOMETHODSFORKINEMATICCALIBRATIONAREDEVELOPEDWITHMODELPARAMETERSCORRECTIONANDINPUTCOMPENSATIONTECHNIQUESONTHEBASISOFTHEANGULARENCODERSLOCATEDOLLTHETWOREVOLUTEAXESIII

簡介：本文密切結合國家自然科學基金項目，以具有我國自主知識產權的高速并聯機械手為對象，研究了一種基于機電耦合系統動力學模型的控制器設計方法，并據此搭建了基于ADAMS虛擬物理樣機和MATLABSIMULINK虛擬驅動器的聯合仿真試驗驗證平臺。取得如下成果1根據轉矩匹配原則，建立了一種可用于實時控制的機電耦合系統動力學模型。其中，采用虛功原理來推導機構子系統的動力學模型，而對伺服子系統的動力學模型則采用矢量控制原理來進行。在此基礎上，以工作空間動平臺軌跡的2范數為目標函數，對PID控制器的定常參數進行了優(yōu)化，得到初始的參數范圍。2考慮模型中電流與力矩的關系及驅動系統中參數對系統性能的影響，設計了一類基于該模型的計算扭矩控制器，從而提高了系統的快速響應能力。此外，考慮到并聯機械手動力學模型的非線性和建模誤差及外界擾動等不確定性因素，采用神經網絡智能算法，對控制器中的比例、積分、微分增益環(huán)節(jié)進行實時調節(jié)，極大地提高了系統的魯棒性。3建立了基于虛擬樣機技術的聯合仿真平臺，驗證了上述機電耦合系統動力學的建模方法，以及所設計控制器的正確性和有效性。上述研究成果不僅對高速并聯機械手的數控開發(fā)具有一定的指導作用，而且還對其整機開發(fā)及其工業(yè)化應用奠定了堅實的基礎。

簡介：手創(chuàng)傷康復機械手是一種幫助手外傷患者迅速康復的醫(yī)療機器人，依據是現代循證醫(yī)學（EVIDENCEBASEDMEDICINE，簡稱EBM）和連續(xù)被動運動（CONTINUOUSPASSIVEMOTION，簡稱CPM）理論，這項研究已經成為生物醫(yī)學工程及機器人學科的一個熱點方向。結構仿生、重量輕、體積小、可靠性高、控制簡單和操作靈活方便是多自由度康復機械手的發(fā)展趨勢。本文首先綜述國內外康復機械手的發(fā)展現狀，依據手指的生理特性，分析現有康復機械手的缺點和不足，在此基礎上引入齒輪機構和空間桿件機構，較好的解決手指骨垂直力和康復角度精確度的問題。其次考慮到臨床上應用要求有豐富的感知能力，設計了基于應變原理的力傳感器，來反饋手指上的力覺信息；設計了基于霍爾原理的關節(jié)位置傳感器，實現手指關節(jié)位置的非接觸測量，來反饋手指的位置信息，并完成了傳感器的靜態(tài)標定。最終基于模塊化的設計思想設計了仿生手指和仿生肌肉，集成了執(zhí)行機構、驅動機構、傳感器、電路板，體積小，重量輕，攜帶方便。采用DH分析方法，對機器人進行了運動學分析，包括機器人的運動學正解，運動學逆解，雅可比矩陣的建立。同時完成動力學分析，建立了從電機輸出到末端執(zhí)行器的動力學方程，為后續(xù)的控制研究奠定了基礎。應用機械系統動力學分析軟件ADAMS對機器人的曲伸運動和內收外展進行仿真分析，不但驗證力運動學動力學分析的正確性，而且驗證了機構設計的合理性。最后對康復機械手典型運動方式進行了實驗驗證。

簡介：本文針對兩自由度并聯機械手關節(jié)之間耦合力以及高速運行時動力學模型不準確和在往復式運行過程中產生躍度過大引起的抖動問題對本課題中機械手臂分別設計了自抗擾非線性控制器和基于滑模自適應力矩前饋補償的非線性控制器在此基礎上建立了整個機器人系統加入柔性關節(jié)的機電耦合系統參數化模型并對所設計的控制算法和所規(guī)劃出的軌跡進行了仿真驗證。對并聯機器人在操作空間中的運行軌跡做了基于遺傳算法求優(yōu)的三次樣條插值最后規(guī)劃出了機器人操作空間軌跡完成了實驗系統的搭建、控制系統軟件編程以及實驗驗證。第一論文針對機械手實際控制過程中一般的比例微分PD控制策略所引起的機器人關鍵位置跟蹤精度不高、超調過大的缺點設計了自抗擾控制算法解決了超調和關節(jié)位置精度跟蹤問題。第二根據機器人在往復式的搬運和分揀操縱過程中的高速性要求結合了系統動力學方程的不確定性設計出滑模自適應控制算法解決了機械手臂高速運行下的精度跟蹤問題。并且針對電機電流噪聲過大的缺點設計了自適應KALMAN濾波算法并且針對電機的動力學模型建立了自適應KALMAN算法辨識出機械手臂廣義力。第三結合SIMMECHANICS工具箱建立了整個機器人系統的機電耦合系統的參數化的剛體動力學模型對所設計的控制算法進行了分析和驗證。第四由于整個機器人系統在高速運行時機械部分抖動大而且電機輸出的速度和加速度以及力矩和功率的特性建立了軌跡規(guī)劃的目標函數并且加入了動力學和運動學作為其約束條件采用了遺傳算法對其進行優(yōu)化計算最終采用三次樣條曲線規(guī)劃出機器人關節(jié)空間的軌跡并在所建立的機電耦合系統的參數化模型上進行了試驗。第五完成了控制系統平臺搭建該平臺采用德州儀器公司TI的DSPTMS320F28335完成控制算法的計算和位置環(huán)的調節(jié)由驅動器完成速度環(huán)和電流環(huán)的運算。

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簡介：目前，隨著海洋資源探索研究的深入，對大功率水下作業(yè)型液壓機械手的適用深度和操作運動平穩(wěn)性都提出了越來越高的要求，是面向深海作業(yè)型水下工作站、ROV、載人潛水器等調查作業(yè)裝備的一項重要水下作業(yè)工具。本文研究的壓力適應型深海水下液壓機械手，針對深海水下作業(yè)環(huán)境惡劣，外界環(huán)境壓力大的問題，基于目前的對液壓源直接進行壓力補償的技術，進而提出了把補償油液通過線管引入水下單片機電控系統，從而實現對整個水下電控系統與外部環(huán)境壓力之間的平衡補償，全面解決了深海水下電液執(zhí)行器件的抗壓密封等關鍵問題；針對深海水下能源供給有限，如果機械手多關節(jié)同時動作時，泵輸出流量不足的情況，提出了采用基于執(zhí)行器流量反饋的電液數字分流方法，基于機械手各關節(jié)不同執(zhí)行器的不同負載慣量，對分配給各關節(jié)的流量進行綜合修正，并進行了相應的理論分析和仿真研究，取得了較好的多關節(jié)復合控制效果針對深海水下作業(yè)空間和能源有限的問題，提出了整體機械手的集成化與小型化設計，并著重從系統作業(yè)控制核心的從手結構設計出發(fā)，綜合優(yōu)化機械手本體結構。論文主要內容如下第一章概述了國內外深海水下作業(yè)機械手的發(fā)展和研究狀況，闡述了本課題的研究意義和背景，并給出了本論文所要開展的主要研究工作。第二章著重對深海壓力適應型電液控制系統的結構及其壓力適應進行了研究，闡述了采用壓力適應型電液控制系統結構的必要性，并詳細介紹了本文研究的深海壓力適應型電液控制系統的原理和結構，并通過一系列試驗對關鍵設計部位進行了驗證。第三章全面介紹了本文所研究的深海水下機械手的系統結構，并從整體結構的小型化，集成化要求出發(fā)，著重對機械手的從手執(zhí)行系統的結構設計展開研究。第四章基于本文設計搭建的試驗系統，重點進行了對機械手各部分和整體系統的調試及實驗研究，驗證了設計的可行性；同時，就目前多關節(jié)復合控制性能的不足，提出了進一步的分流控制方法，并進行了仿真研究，給出了仿真結果。第五章主要是對本課題工作進行分析總結，并對將來進一步的研究工作做出了展望。

簡介：本文密切結合某電池生產企業(yè)的生產需求，在國家“863”高技術研究發(fā)展計劃的資助下，研究用DIAMOND機械手搭建鋰離子電池分選裝備的若干關鍵技術。論文取得了以下成果在分析可充電電池分選工藝流程的基礎上，提出以DIAMOND機械手為硬件核心，結合企業(yè)原有裝備，搭建可充電電池自動分選系統的總體方案。該方案具有制造成本低、分選批量大、分選類型多等特點。其獨特的軌跡設計減少了輔助分選時間，還降低了工人的勞動強度。用矢量法構建DIAMOND構型閉環(huán)方程，推導出位置正、逆解及速度模型，并根據機構工作空間設計了DIAMOND機構基本尺寸，為后邊章節(jié)的建模和仿真打下了堅實的基礎。采用SOLIDWKS軟件建立了該混聯裝備的三維實體模型，運用MATLAB軟件實現了分選仿真。根據裝備分選特點，采用345次函數運動規(guī)律，用MATLAB實現了分選裝備的運動學仿真，驗證了分選方案的合理性。提出了一種計算分選效率的方法，并用MATLAB軟件仿真計算了裝備分選效率，驗證了分選方案的可行性，為后續(xù)的樣機制造提供了理論依據。

簡介：隨著科技發(fā)展，機械手應用越來越廣泛，世界各國均開展了相關研究。一種基于溫控型形狀記憶合金研制的內嵌式驅動器，輸出位移大，輸出力－重量比高，驅動與控制簡便，獲得了廣泛關注。本文以彎曲型內嵌式形狀記憶合金驅動器樣機的研制為出發(fā)點，在已有研究基礎上，闡述了內嵌式形狀記憶合金驅動器的原理、結構、分類與制作方法，提出了多種雙絲結構平面彎曲內嵌式形狀記憶合金驅動器的制作方法，并試制了樣機。在分析現有空間彎曲內嵌式形狀記憶合金驅動器結構基礎上，提出了非粘合型結構，采用與形狀記憶合金絲不粘合的雙組份型硅橡膠制作彈性硅橡膠棒，進一步分析了該結構存在的問題，并通過結構設計加以克服。采用有限元分析軟件ANSYS對平面與空間彎曲內嵌式形狀記憶合金驅動器進行穩(wěn)態(tài)溫度分析，研究了多絲結構中形狀記憶合金絲之間溫度耦合關系，得出了新結構空間彎曲內嵌式形狀記憶合金驅動器的設計參數。最后，設計了硅橡膠硫化模具，試制了非粘合型空間彎曲內嵌式形狀記憶合金驅動器樣機。試驗表明，該樣機能夠實現空間的有效彎曲變形。

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簡介：本文針對平面兩桿機械手，分別建立了基于剛性桿和柔性桿的動力學方程，利用VC、MATLAB進行仿真，并利用機械系統動力學分析軟件ADAMS，依據實際的幾何參數、物理特性以及約束條件建立了機械手的剛性和柔性的虛擬樣機模型，利用仿真輸出曲線同各種仿真方法進行比較。然后本文采用ADAMS的CONTROLS模塊與MATLAB的SIMULINK模塊聯合對其進行控制與仿真，直接利用ADAMS程序建立控制系統分析中的機械系統仿真模型，而不需要使用數學公式建模。同時本文研究了一種針對多關節(jié)機械手的軌跡控制方法，并在聯合控制仿真系統中得到了應用。另外，本文還利用ADAMS和MATLAB的接口，在聯合控制仿真過程中，加強ADAMS仿真控制系統功能，進一步簡化操作步驟，分別在ADAMS與MATLAB軟件中增加了一個機械手控制仿真模塊，開發(fā)了機械手的控制仿真系統。最后，通過一個平面兩桿剛性機械手的實例詳細介紹了本控制仿真系統的使用。

簡介：機械手的運動學、動力學性能會直接影響到機械手的應用，因此對機械手進行運動學、動力學性能研究是很有必要的。在機械手運動學分析方面，首先研究了本機器手的位姿描述和DH坐標表示，然后建立了該機械手的運動學模型，分析了運動學的正問題和逆問題，尤其在逆問題的分析中不僅利用代數方法解出了關節(jié)變量的表達式，也詳細介紹了數值解法，并分析了數值解法的優(yōu)缺點；在手運動模型的分析基礎上，研究了不同坐標系下的機械手運動方程的微分變換，求出了運動方程變換的雅可比矩陣，并對雅可比矩陣的奇異性進行了討論。在機械手動力學分析方面，討論了機械手關節(jié)靜反力和動反力問題，針對本文建立的機械手模型在綜合考慮多種求解方法的優(yōu)缺點的基礎上，選擇建立KANE動力學方程來進行求解計算。本文采用機械系統動力學分析軟件ADAMS建立了本5R串聯關節(jié)機器手的動力學模型，分析了各關節(jié)的運動特性，討論了在不同的外界條件下關節(jié)驅動器的力矩曲線和各關節(jié)運動關系曲線的變化，為更深入地研究機械手運動學和動力學問題，以及串聯關節(jié)機器人的本體和控制器設計提供了理論基礎。本文的研究工作對串聯關節(jié)型機器手的設計具有一定的指導意義。運用本文的研究方法，可以有效提高機器手的設計質量和縮短設計周期。

簡介：計算機技術的發(fā)展推動了產品設計的多樣化。只有不斷保持產品創(chuàng)新，才能在激烈的市場競爭中立于不敗之地。CADCAM技術是實現創(chuàng)新的關鍵手段，而CAE是實現創(chuàng)新設計的最主要技術保障。在計算機技術迅猛發(fā)展的今天，要求企業(yè)把產品設計與三維仿真及有限元分析系統有效的結合起來，以達到制造業(yè)高效、低成本、自動化的市場要求。肋骨成型加工是造船生產中船體建造的一個重要組成部分。采用數控肋骨冷彎機加工肋骨可以達到比較理想的成形效果。隨著機器加工尺寸更大的肋骨時，現有的肋骨冷彎機就不能滿足加工的需要，需要設計更大型的肋骨冷彎機來滿足造船生產的需要，由于要提高肋骨冷彎機的加工能力，就必須加大加工時機器的夾緊力與彎曲力，這種改變加大了機器的變形，影響肋骨成形質量和肋骨冷彎機的結構強度。本文的一部分工作是以PROE為設計工具，分析了肋骨冷彎機結構特點及其加工運動特征，討論了肋骨冷彎機建模方法，建立了肋骨冷彎機三維實體模型，并對其運動過程基于PROMECHANISM進行仿真。本文的另一部分工作是將有限元技術與中機架結構設計相結合，以PROMECHANICA為分析平臺，對中機架實際受力情況、邊界條件和施加載荷進行研究。通過分析計算，確定了中機架的受到最大加緊載荷下最大應力和變形。同時使用結構分析工具對中機架優(yōu)化參數進行靈敏度分析，在中機架最大工作應力滿足許用應力和變形要求的條件下，優(yōu)化中機架結構參數，達到目標函數，即中機架質量最小。計算結果表明設計精確，能滿足肋骨冷彎機的實際工況要求。

簡介：水下作業(yè)機械手是水下機器人的重要部分，具有作業(yè)能力的水下機器人技術在很大程度上標志著一個國家的海洋高科技的發(fā)展水平。我國必須發(fā)展自己的水下機器人及其裝備的水下作業(yè)機械手，提高在海洋開發(fā)中的地位，參與二十一世紀海洋大開發(fā)的國際競爭。本文對水下作業(yè)機械手的控制系統進行了研究設計。本課題中的水下作業(yè)機械手控制系統的研制主要分為兩部分1水面仿真監(jiān)控模塊對水下作業(yè)機器人來說，無論是遙控作業(yè)還是自主作業(yè)，水面的仿真監(jiān)控都有著極其重要的作用。模塊主要由3DSMAX仿真模型和數據、控制模塊等組成。首先，水面監(jiān)控可以對作業(yè)進行仿真演示；其次，水面監(jiān)控可實時監(jiān)控水下機械手完成水下作業(yè)；而且，該模塊還可以使水面用戶在必要時進行人工干預。2基于RCM3720的水下控制系統本文水下控制系統中，控制器采用了一種適合微小型水下作業(yè)機械手的小型化高性能控制器RCM3720；軟件結構采用了實時多任務操作系統ΜCOSII控制系統采用了模塊化設計，主要劃分為如下幾個模塊系統監(jiān)控模塊、通信模塊、信息融合模塊以及作業(yè)規(guī)劃模塊等。本文結合國防基礎科研項目“微小型作業(yè)工具”的“微小型機器人”研究專題，對微小型水下機械手控制系統開展了一系列的研究設計工作，但很多技術還有待完善?？梢灶A見，此技術的最終實現將推動我國海洋國防、海洋科學及海洋開發(fā)裝備的技術水平不斷提高。

簡介：本文設計了三自由度拼裝式氣動機械手，用來改造半自動專用抄片機，并研究了自動抄片機的控制系統。為了最終實現自動抄片工藝，構建了相應的外圍設備漿料二級分散、輸送設備和步進式烘道，并以自動抄片機為中心，將上述設備進行了控制系統的整合。首先，根據摩擦材料預制體成形工藝的要求，實現了半自動專用抄片機，通過使用經驗提出了氣動機械手的各項技術要求；然后根據所提技術要求，在半自動專用抄片機的基礎上提出了自動抄片的總體方案和結構；接著通過對功能氣缸的計算和選型，構建了氣動機械手本體，該機械手為3P1R直角坐標式拼裝機械手，由五個功能氣缸模塊拼裝而成，能夠實現自動抄片時對壓水輥和成形網的夾持、操作；然后采用SPC100位置控制器和電磁比例方向控制閥解決了DGPL直線氣缸的多點定位困難，根據氣動機械手控制特點，采用閥島和AS_I總線技術構建了高效、開放的控制系統；接著采用PROPNEU3010軟件對機械手關鍵的功能氣缸SLT和DGPL等執(zhí)行單元各項運行參數進行了模擬和優(yōu)化；然后以自動抄片機為中心，對二級分散設備、漿料輸送系統和步進式烘道等輔助設備進行整合，為實現了摩擦材料預制體抄片工藝的小批量的自動化生產奠定了基礎。最后，通過一種可自動加載的摩擦試驗機進行了摩擦磨損試驗，研究了靜摩擦力矩曲線特征和影響靜摩擦力矩的因素，證明了半自動抄片預制體對摩擦材料摩擦磨損性能的明顯改進。通過本文的研究，提出了基于氣動機械手實現紙基摩擦材料自動抄片方法。通過對氣動機械手的多點定位和控制等關鍵問題的解決，完成了自動抄片機氣動機械手的設計。

簡介：隨著科學技術的發(fā)展，水下機器人已經廣泛應用到海洋勘測。水下機器人及機械手的軌跡規(guī)劃對機器人的作業(yè)有重要意義。本文以水下機器人及作業(yè)機械手為研究對象，針對軌跡規(guī)劃進行研究。本文主要包括以下幾個方面的內容⑴介紹了水下作業(yè)機械手的特點和組成結構、分析了其工作原理。并用DH方法建立了機械手的運動學模型，用反變換法對其進行了運動學反解。在此基礎上，討論了機械手工作空間的形成、特點和求解方法，并對機械手的工作空間進行仿真。⑵詳細的介紹和分析了KHATIB的人工勢場模型。先對本文的機械手作業(yè)平臺進行受力分析，建立人工勢場的模型。再在該模型的基礎上，設計了機械手作業(yè)平臺的路徑規(guī)劃方案，并仿真證明運用人工勢場模型能夠準確的進行路徑規(guī)劃。⑶介紹了幾種經典的軌跡規(guī)劃算法及進行三次樣條的插值，如關節(jié)空間空間規(guī)劃，笛卡爾空間空間規(guī)劃；對上面幾種方法分別編程實現，進行了軌跡實時生成和MATLAB的仿真驗證了所規(guī)劃軌跡的正確性。⑷介紹了二次規(guī)劃模型，用二次規(guī)劃模型代替了經典的關節(jié)空間軌跡規(guī)劃法。在速度和加速度的約束條件下，使用二次規(guī)劃算法獲得了運動時間最優(yōu)的關節(jié)軌跡，將所用算法與現有算法對比表明了所用算法的優(yōu)越性。