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高速运动下Delta机器人离散自抗扰控制

机械科学与技术 2024年

作者：陈久朋徐贝伞红军李宗阳昆明理工大学机电工程学院云南省先进装备智能制造技术重点实验室

为满足现有Delta并联机器人高速运动下动态性能要求，本文基于二阶滑模控制算法和自抗扰控制系统，提出一种高速运动下Delta机器人离散自抗扰控制系统（Discrete Active Disturbance Rejection Control，D-ADRC）。该控制系统在运动学... 详细信息

为满足现有Delta并联机器人高速运动下动态性能要求，本文基于二阶滑模控制算法和自抗扰控制系统，提出一种高速运动下Delta机器人离散自抗扰控制系统（Discrete Active Disturbance Rejection Control，D-ADRC）。该控制系统在运动学和动力学的基础上，结合二阶滑模控制算法与ADRC算法，利用改进后的非线性跟踪微分器和离散化的扩展状态观测器提高系统实时性和鲁棒性。分别对不同干扰下D-ADRC以及同一干扰源下PD-ADRC、Line-ADRC、D-ADRC控制器进行对比分析。仿真结果显示：D＿ADRC控制器对不同干扰源均具有良好的抗扰效果，同时与传统的PD-ADRC和Line-ADRC相比，D-ADRC控制器系统响应速度提高10%-15%，最大超调量降低20%-30%，稳态误差降低30%-50%，具有更高的鲁棒性、快速响应性和更强的自抗扰能力。研究结果表明所提控制算法能够在高速运动下减小抖震，相比传统PD-ADRC和Line-ADRC控制具有更优的动态性能。最后，为验证所提算法的有效性，搭建了ADAMS-Simulink联合仿真平台，将D-ADRC算法作用于虚拟样机控制中，结果表明本文所提算法能够满足高速运动下的控制要求，其仿真结果与预期结果一致。

关键词： Delta并联机器人离散自抗扰控制二阶滑模控制动力学模型

考虑连杆和关节柔性的工业机器人大臂静动态性能优化

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农业机械学报 2024年第7期55卷 449-458页

作者：肖正明段俊杰周川余世科伍星昆明理工大学机电工程学院昆明650500 云南省先进装备智能制造技术重点实验室昆明650500 中国船舶第七〇五研究所昆明分部昆明650003

为提高工业机器人整体性能,减小其静动态性能误差,提出一种综合考虑工业机器人连杆和关节柔性的拓扑优化方法。将机器人动力学与拓扑优化相结合,以变密度法(Solid isotropic material with penalization,SIMP)为基础,通过线性加权和法... 详细信息

为提高工业机器人整体性能,减小其静动态性能误差,提出一种综合考虑工业机器人连杆和关节柔性的拓扑优化方法。将机器人动力学与拓扑优化相结合,以变密度法(Solid isotropic material with penalization,SIMP)为基础,通过线性加权和法建立工业机器人大臂的多目标拓扑优化函数模型,基于柔性多体动力学理论,利用有限元软件和多体动力学软件建立含关节、连杆柔性的机器人刚柔耦合动力学仿真模型,获得机器人在极限工况下大臂载荷谱,最后,利用层次分析法确定优化目标函数中各子目标的权重系数,并对函数进行求解。优化结果显示,优化后机器人大臂刚度和固有频率都得到提高,并且质量下降18.71%。通过虚拟样机技术重构机器人模型,并对其整体进行分析,结果表明,最大负载作用下,机器人最大变形量从0.208 mm降至0.188 mm,静态变形量误差减小9.62%;动态定位误差从0.777 mm降至0.687 mm,定位精度提高11.58%。上述拓扑优化方法为提升工业机器人整体静动态性能提供了有效的理论参考。

关键词：工业机器人静动态性能拓扑优化刚柔耦合动力学层次分析法定位精度

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中枢模式发生器与足端轨迹的非线性映射

仪器仪表学报 2024年第4期45卷 258-271页

作者：陈久朋陈治帆伞红军祖永斌昆明理工大学机电工程学院昆明650500 云南省先进装备智能制造技术重点实验室昆明650500

控制的仿生性和行走的稳定性是四足机器人步态研究中重要的两个方面。为了提高四足机器人运动的稳定性,本文通过Hopf振荡器搭建了CPG模型,分别实现了多种步态及步态之间的转换。比较了基于CPG的步态控制方法和轨迹规划的步态规划方法在... 详细信息

控制的仿生性和行走的稳定性是四足机器人步态研究中重要的两个方面。为了提高四足机器人运动的稳定性,本文通过Hopf振荡器搭建了CPG模型,分别实现了多种步态及步态之间的转换。比较了基于CPG的步态控制方法和轨迹规划的步态规划方法在行走上的优劣性。为了同时利用CPG控制和轨迹规划的优点,提出采用神经网络将CPG控制曲线与足端轨迹逆运动学获得的驱动曲线进行非线性映射,使得四足机器人在控制上具备仿生特性,在足端接触上具备零冲击特性。仿真和实验结果表明,采用CPG的步态生成方法和轨迹规划方法四足机器人的行走速度理论行走速度80 mm/s相近,但采用CPG的步态生成方法四足机器人侧向位移在±10 mm以内且俯仰角在±1.5°之间,而采用轨迹规划的控制方法四足机器人侧向位移在±35 mm以内且俯仰角在±4°之间,可见两种控制方式对侧向偏移和俯仰运动的表现不一致。通过实验测量可知,机器人采用walk步态行走速度为18.57 mm/s,与理论行走速度20 mm/s接近,步态转换后以trot步态行走,行走速度为76.15 mm/s,与理论行走速度80 mm/s接近,少许误差可能是装配和行走过程打滑导致的。测量其侧向偏移程度可知,其侧向的偏移量左侧在15 mm内,右侧在25 mm内,其侧向偏移量均在合适的范围内,证明所提算法的有效性。

关键词：四足机器人 CPG模型足端轨迹非线性映射行走稳定性

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考虑微观表面分层特征密封环接触特性分析

化工学报 2024年

作者：刘孟扬孙雪剑毛文元邓晰文雷基林昆明理工大学化学工程学院昆明理工大学云南省内燃机重点实验室

软硬配对的密封环广泛应用于旋转式动密封领域，然而动静环间的接触摩擦是引起密封失效的主要原因。分析密封环的接触特性对研究密封摩擦损伤现象乃至预测密封稳定运行具有重要意义。传统研究大多基于密封环微观表面微凸体满足高斯分布... 详细信息

软硬配对的密封环广泛应用于旋转式动密封领域，然而动静环间的接触摩擦是引起密封失效的主要原因。分析密封环的接触特性对研究密封摩擦损伤现象乃至预测密封稳定运行具有重要意义。传统研究大多基于密封环微观表面微凸体满足高斯分布的单层特征假设，忽略其存在的分层特征。本文以干气密封为工程背景，通过测量密封环表面形貌二维数据，利用间断分离法获取分层参数，结合双高斯表面仿真理论对密封环三维重构，使用确定性接触模型对密封环接触特性研究，并结合表面仿真分析相关长度、下高斯粗糙度、上高斯占比等对密封接触特性的影响。研究结果表明：经过抛光处理的成品碳石墨密封环分层特征明显。相关长度的增加会减少粗糙峰数量并增加粗糙峰平均曲率半径。上高斯占比的增加导致粗糙峰平均曲率半径略有增加。增加下高斯粗糙度会降低粗糙峰平均曲率半径，增加粗糙峰数量，显著降低接触性能。下高斯粗糙度对表面形貌、接触特性影响最大，而相关长度、上高斯占比对接触特性影响较小。

关键词：动密封表面形貌分层特征微尺度接触

滇中引水工程砂化白云岩隧洞围岩地质特征与破坏机制

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岩石力学与工程学报 2024年第S01期43卷 3464-3476页

作者：董家兴周志强赵永川米健李建国柳晓宁李超周伦顺沈桢洛沐红元昆明理工大学电力工程学院云南昆明650500 云南省水利水电勘测设计研究院云南昆明650021

砂化白云岩岩体结构破碎,赋存地质环境复杂,因易发塌方、突水涌砂,可能诱发地面塌陷等灾害,在该地层中修建地下工程面临施工难度大、灾害处置难、施工安全风险高等挑战。滇中引水工程玉溪段共有5条输水隧洞穿越砂化白云岩地层,采用地质... 详细信息

砂化白云岩岩体结构破碎,赋存地质环境复杂,因易发塌方、突水涌砂,可能诱发地面塌陷等灾害,在该地层中修建地下工程面临施工难度大、灾害处置难、施工安全风险高等挑战。滇中引水工程玉溪段共有5条输水隧洞穿越砂化白云岩地层,采用地质调查与分析、微观结构测试与分析等方法,研究隧洞沿线砂化白云岩空间分布特征及不同砂化等级白云岩的微观结构;通过施工跟踪、围岩失稳案例统计、理论分析归纳等手段,概括砂化白云岩隧洞围岩失稳的影响因素,探索围岩破坏机制并提出灾害的针对性防控措施。研究结果表明:(1)砂化白云岩空间分布和砂化程度与断裂、断层的发育密切相关,由地表向深部呈剧烈砂化→强烈砂化→弱砂化的分带性;滇中引水工程玉溪段砂化白云岩隧洞的砂化程度以强烈砂化、剧烈砂化为主;(2)砂化白云岩隧洞围岩失稳的影响因素主要包括砂化等级、断层、地下水、施工工艺与管理等因素;(3)无水条件下,砂化白云岩隧洞主要发生重力驱动型、应力-岩体结构复合驱动型的围岩塌方失稳;富水砂化白云岩洞段主要发生强烈、剧烈砂化岩体突水涌砂,其失稳机制主要为渗透失稳;(4)超前地质预报和灾害风险动态评价是砂化白云岩隧洞灾害防控的重要举措,止浆墙施作、围岩固结灌浆是突水涌砂的主要工程处置措施,施工经验仍然需要积累和总结。研究成果对砂化白云岩隧洞围岩灾变防控具有一定的指导价值。

关键词：岩石力学滇中引水工程砂化白云岩空间分布微观结构围岩破坏机制

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基于ICP算法的移动机器人激光定位研究

激光与光电子学进展 2024年第8期61卷 89-98页

作者：赵龙云伞红军陈久朋彭真昆明理工大学机电工程学院云南昆明650500 云南省先进装备智能制造技术重点实验室云南昆明650500

针对移动机器人在进行传统2D环境的定位时所存在的定位精度低且定位实时性差等问题,提出一种改进的迭代近邻点(ICP)算法的定位方法。首先,建立位姿搜索空间,采用由低到高的分辨率对搜索空间进行逐层搜索,并结合多点云密度进行部分点云... 详细信息

针对移动机器人在进行传统2D环境的定位时所存在的定位精度低且定位实时性差等问题,提出一种改进的迭代近邻点(ICP)算法的定位方法。首先,建立位姿搜索空间,采用由低到高的分辨率对搜索空间进行逐层搜索,并结合多点云密度进行部分点云扫描匹配,排除非最优位姿,加速搜索过程;在进行点云匹配中,采用帧对图的方式,有效地利用了历史帧信息;对得到的最优位姿进行稀疏矩阵位姿优化,进一步提高定位精度。在SLAM Benchmark数据集上进行测试,结果表明所提方法的算法效率是现流行的Cartographer算法的1.8倍到4.9倍之间,同时平移误差较小。并利用Turtlebot2机器人进行实际测试,结果表明所提方法的定位误差相比Cartographer和Gmapping均有明显的降低,且实时性较好;与传统的自适应蒙特卡罗重定位(AMCL)相比,平移误差均值降低了0.035 m,旋转误差均值降低了0.001 rad,具有较高的重定位精度。

关键词：激光雷达移动机器人定位多分辨率迭代近邻点多点云密度

主体功能视角下耦合马尔可夫链和PLUS模型的城镇开发边界划定研究

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地球信息科学学报 2024年第7期26卷 1702-1716页

作者：梁毅东张述清朱大明李永平昆明理工大学国土资源工程学院昆明650093 云南省国土资源规划设计研究院昆明650216 自然资源智慧治理产学研融合创新基地昆明650216

城镇开发边界对城市未来的土地利用和国土空间格局有指导和约束作用,主体功能定位是制定国土空间开发保护战略措施的基础,而现有城镇开发边界划定研究对主体功能的影响考虑不足。本文基于2009—2021年土地利用数据,选取重点生态功能区(... 详细信息

城镇开发边界对城市未来的土地利用和国土空间格局有指导和约束作用,主体功能定位是制定国土空间开发保护战略措施的基础,而现有城镇开发边界划定研究对主体功能的影响考虑不足。本文基于2009—2021年土地利用数据,选取重点生态功能区(澄江市)、农产品主产区(陆良县)、城市化地区(昆明市主城区)3种典型主体功能区域,耦合PLUS模型、匀速递增马尔可夫链和层次分析法,依据主体功能类型分别按照生态保护、农业生产、城镇发展情景进行2035年土地利用变化模拟和城镇开发边界的划定,并提出数量及空间格局优化方案。结果表明:①不同类型主体功能区城镇建设用地变化影响因素存在差异,重点生态功能区和农产品主产区主要受社会因素的影响,城市化地区主要受自然因素的影响;②提出匀速递增马尔可夫链对土地利用进行数量模拟,精度超过96%。通过PLUS模型对3种类型土地利用进行预测,Fom值介于0.1~0.3之间。耦合模型能较好的反映未来土地利用变化情况;③对不同主体功能类型的城镇建设用地进行模拟分析以及对划定的城镇开发边界与实际划定结果进行对比,提出澄江市应缩减边界规模,陆良县应进行布局优化,避让连片耕地并适当缩减边界规模,昆明主城区边界规模合理,但空间布局局部可以优化;城镇开发边界的划定应考虑不同主体功能定位,不能简单用一个统一的扩展倍数来限定。本文提出了在主体功能战略背景下的城镇开发边界划定的一种改进模型与耦合方法,可为政府相关部门开展具体工作提供依据。

关键词：三区三线主体功能区城镇开发边界情景模拟 PLUS模型滇中城市群

中亚热带不同演替阶段森林土壤水分时空异质性

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林业科学 2024年第6期60卷 13-24页

作者：涂晓云赵洋毅王克勤欧阳田甜李志成和娴越西南林业大学水土保持学院昆明650224

【目的】探究典型中亚热带区不同演替阶段森林群落土壤体积含水量的时间(年、干湿季)与空间(土层)异质性特征,分析森林群落演替进程中引起土壤不同土层体积含水量异质性的主要因素,为区域林水资源管理及森林生态系统服务功能评估提供基... 详细信息

【目的】探究典型中亚热带区不同演替阶段森林群落土壤体积含水量的时间(年、干湿季)与空间(土层)异质性特征,分析森林群落演替进程中引起土壤不同土层体积含水量异质性的主要因素,为区域林水资源管理及森林生态系统服务功能评估提供基础数据。【方法】选取云南玉溪磨盘山的典型森林,包括演替初期的云南松林(PF)、演替中期的云南松阔叶混交林(PBMF)和顶级群落常绿阔叶林(EBF),应用时域反射法与经典统计学分析法,于2021年5月至2022年4月测量样地0~60 cm土层内每10 cm土层的土壤体积含水量,探析森林土壤水分的时空异质性及影响因素。【结果】1)在气候干湿分明、干旱频繁的中亚热带地区,森林土壤储水量在时间上呈中等变异且与降水变化趋势一致。随演替进行,年均土壤储水量为EBF最大,MPBF次之,PF最小。EBF与PBMF全年土壤储水量较PF分别平均增加31.24%和15.22%。2)3种演替阶段森林的土壤体积含水量均随土层加深而增大,0~10 cm土层土壤体积含水量平均比50~60 cm土层低45.22%,土壤体积含水量变异系数与土壤体积含水量呈显著负相关(P云南玉溪磨盘山不同演替阶段森林的年、干湿季和0~60 cm土层的土壤体积含水量变异系数均值分别为19.86%、17.31%、14.06%和20.58%,均表现出中等强度异质性,随演替进行森林土壤储水能力不断增强。叶面积指数、土壤孔隙度、砂粒含量、有机质含量和有机碳含量是土壤不同土层体积含水量产生空间异质性的主导因素。

关键词：土壤体积含水量森林演替时空异质性磨盘山中亚热带

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典型非均匀推移质输沙率公式适用性比较

泥沙研究 2024年第2期49卷 17-24页

作者：饶璋超罗永钦袁强付俊峰昆明理工大学电力工程学院云南昆明650500 云南省高校水生态与水流结构工程重点实验室云南昆明650500

基于等中值粒径的“单、双峰型级配”推移质输沙试验以及“驼峰”输沙率试验数据,选择Einstein、吴伟明、Wilcock和吴保生等4种典型非均匀推移质输沙率公式计算“单、双峰型级配”推移质输沙率,将两种级配的输沙率比值及曲线形态与试验... 详细信息

基于等中值粒径的“单、双峰型级配”推移质输沙试验以及“驼峰”输沙率试验数据,选择Einstein、吴伟明、Wilcock和吴保生等4种典型非均匀推移质输沙率公式计算“单、双峰型级配”推移质输沙率,将两种级配的输沙率比值及曲线形态与试验成果对比分析。结果表明:吴伟明公式在反映“单、双峰型级配”推移质输沙差异上表现最好,这4种公式均无法反映“驼峰”输沙率现象。基于多参数考虑的Patel公式较这4种公式能更好地反映上述两种现象。充分考虑床沙级配对分组沙起动切应力和输沙有效Shields数的影响,是提高非均匀推移质输沙率公式精度和适用性的关键。

关键词：非均匀沙推移质输沙率单双峰型级配驼峰输沙率