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轮式多机协同搬运机器人轨迹跟踪控制器设计

机械工程学报 2024年第11期60卷 145-155页

作者：何华刘全申屠舒展宫昭清华大学机械工程系北京100084 中国机械工业集团有限公司北京100080

轮式移动机器人多机协同搬运负载过程中受到的地面非完整约束以及负载刚性约束,对其轨迹跟踪控制器的动态特性以及稳态误差均提出很高的要求。基于李雅普诺夫第二方法,设计轮式移动机器人渐进稳定轨迹跟踪控制器,实现输入饱和约束可沿... 详细信息

轮式移动机器人多机协同搬运负载过程中受到的地面非完整约束以及负载刚性约束,对其轨迹跟踪控制器的动态特性以及稳态误差均提出很高的要求。基于李雅普诺夫第二方法,设计轮式移动机器人渐进稳定轨迹跟踪控制器,实现输入饱和约束可沿广义速度空间边界滑动,在保证控制信号不超出机器人广义速度空间的前提下,提升轨迹跟踪控制器的响应速度。研究轨迹跟踪控制器对不同目标轨迹的跟踪误差规律,提出以门限角度为分界的状态机,控制机器人对目标参数的响应顺序,减小跟踪过程误差。基于模糊控制器,实现轨迹跟踪控制器增益系数的动态调节,有效降低对不同目标速度的跟踪稳态误差。通过多机协同搬运负载试验验证控制器的正确性和有效性。

关键词：轮式移动机器人轨迹跟踪控制器模糊控制输入饱和状态机

基于振动及声学测量的风电叶片结构健康监测研究综述

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机械工程学报 2024年第7期60卷 79-92页

作者：孙仕林王天杨褚福磊清华大学机械工程系北京100084

叶片的健康状态对风力发电的效率和可靠性具有重要影响,其造价与损伤概率在风力发电机的各部件中位于前列。目前,国内外学者已针对风电叶片结构健康监测开展大量的研究,其中基于振动测量和声学测量的方法具有测量范围广、数据处理方便... 详细信息

叶片的健康状态对风力发电的效率和可靠性具有重要影响,其造价与损伤概率在风力发电机的各部件中位于前列。目前,国内外学者已针对风电叶片结构健康监测开展大量的研究,其中基于振动测量和声学测量的方法具有测量范围广、数据处理方便等优势。为了充分了解当前的研究进展,在阐述风电叶片各类结构健康监测方法的基础上,从基于固有特性的方法、基于健康指标的方法、基于统计建模的方法和基于机器学习的方法等四个方面综述了基于振动测量的相关研究,从基于独立麦克风测量的方法和基于麦克风阵列测量的方法等两个方面综述了基于声学测量的相关研究。最后,对论文涵盖的风电叶片结构健康监测方法进行总结,并展望了未来研究需要进一步关注的方向。

关键词：结构健康监测风力发电机叶片振动声学

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ArUco辅助的爬壁机器人自主定位方法

机器人 2024年第1期46卷 27-35,44页

作者：张文杨耀鑫黄天帜孙振国清华大学机械工程系北京100084

针对现有的爬壁机器人定位技术在纹理特征不明显、环境相对封闭、存在强磁干扰等特殊环境下的不足,提出利用机载鱼眼相机观测固定于地面的ArUco码的全新定位方案并实现了基于该定位方案的惯性测量单元/编码器/鱼眼相机多传感器融合的自... 详细信息

针对现有的爬壁机器人定位技术在纹理特征不明显、环境相对封闭、存在强磁干扰等特殊环境下的不足,提出利用机载鱼眼相机观测固定于地面的ArUco码的全新定位方案并实现了基于该定位方案的惯性测量单元/编码器/鱼眼相机多传感器融合的自主定位方法A-IEF。该方法首先识别ArUco码,并根据其在鱼眼图像中的位置筛选关键帧;然后,研究了固定于地面的ArUco码的角点在鱼眼图像中的重投影规律,并结合机器人姿态约束进行重定位优化;其次,在关键帧区间内,推导了角点重投影误差关于机器人位置和姿态增量的雅可比矩阵;接着,设计了基于ES-EKF(误差状态扩展卡尔曼滤波)的多信息融合方法,以编码器估计的位移误差及ArUco角点重投影误差作为观测量,实现对机器人航向角和位置的修正;最后,在大型钢制构件上进行测试,试验结果表明,本文方法具有更高的定位精度,其中位置估计精度保持在0.06 m以内,航向角估计精度保持在3.7°以内,相较于ArUco-rectified、航位推测法等定位算法,位置误差降低约47%,航向角误差降低约68%,并能够实现在弱光照环境中的定位。

关键词：多传感器融合误差状态扩展卡尔曼滤波爬壁机器人位姿估计 ArUco码

基于差分融合长短期记忆神经网络数控机床热误差建模

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机械工程学报 2024年第7期60卷 249-257页

作者：刘占广张云刘晴雨清华大学机械工程系北京100084

数控机床的热效应是制约机床加工精度的主要因素,为了进一步提高机床热误差预测的精度,针对热误差表征参数温升和位移的相对量特性,引入差分预测,综合直接预测和差分预测的优点,提出一种基于差分融合长短期记忆神经网络的数控机床热误... 详细信息

数控机床的热效应是制约机床加工精度的主要因素,为了进一步提高机床热误差预测的精度,针对热误差表征参数温升和位移的相对量特性,引入差分预测,综合直接预测和差分预测的优点,提出一种基于差分融合长短期记忆神经网络的数控机床热误差预测模型。以某型号卧式外圆磨床为实验对象,按照不同电机频率设计四组实验,连续采集温度和刀具(砂轮)轴向伸长量数据,基于随机森林和特征交叉递归移除方法确定四个温度敏感点,随机选定训练集与测试集进行训练和预测,通过与现有普遍使用的人工神经网络方法对比验证,提出的热误差模型能够在数据趋势性和波动性间取得较好平衡,且预测结果有更高的精度和更好的鲁棒性,印证了引入差分预测的合理性,对于实际数控机床热误差预测补偿具有一定的参考意义。

关键词：热误差预测相对量差分融合长短期记忆神经网络

面向精度提升与工艺改进的容差分配多目标模型融合方法

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计算机集成制造系统 2024年第3期30卷 926-941页

作者：郭飞燕宋长杰张硕童清云白雪涛刘连喜北京科技大学机械工程学院北京100083 北京星航机电装备有限公司北京100074

在现代机械产品装配容差优化过程中,多以简单加权求和的方式构建多目标容差优化模型,求解效果较差且与装配现场的适用性不强。鉴于此,以装配精度提升与工艺改进为目标导向,首先,考虑配合误差引起的零件上不同关键特征间的位姿变动,构建... 详细信息

在现代机械产品装配容差优化过程中,多以简单加权求和的方式构建多目标容差优化模型,求解效果较差且与装配现场的适用性不强。鉴于此,以装配精度提升与工艺改进为目标导向,首先,考虑配合误差引起的零件上不同关键特征间的位姿变动,构建装配误差传递累积模型与协调尺寸链,精准预测装配误差与多装配体间的协调误差;其次,结合各制造环节误差数据与装配精度累积数据,分别建立加工成本、质量损失、修配成本3个单目标优化模型,并以此提出可避免容差数据优化失衡与优化方向偏离的多目标模型权重参数分配方法,构建多目标容差优化分配模型;最后,采用加速粒子群算法求解得到面向工艺性能提升的各组成环误差数值。以某型航天器分段式机翼对接装配优化为例,在改进产品定位装夹方式之前,机翼对接外形阶差与修配成本分别降低94.68%与83.49%;在使用外形卡板定位后,通过优化使上述两项装配指标分别降低11.21%与8.50%,有效地保障了产品型面装配精度与对接协调质量。

关键词：装配精度工艺优化容差分配参数融合对接协调

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机匣类工件五轴铣削工艺系统的刚度建模技术

清华大学学报（自然科学版） 2024年第8期64卷 1435-1444页

作者：赵彤卞鹏锡王永飞张毅博清华大学机械工程系北京100084 北京动力机械研究所北京100074

为了探究机匣类工件五轴铣削工艺系统因刚度不足引起的加工振动问题,该文针对KMC600SU机床、刀具、薄壁类零件及其夹具组成的整体工艺系统进行了建模分析。首先通过有限元分析和锤击实验,确定了工件和刀具部分的动刚度特征和测量方式;... 详细信息

为了探究机匣类工件五轴铣削工艺系统因刚度不足引起的加工振动问题,该文针对KMC600SU机床、刀具、薄壁类零件及其夹具组成的整体工艺系统进行了建模分析。首先通过有限元分析和锤击实验,确定了工件和刀具部分的动刚度特征和测量方式;然后基于悬挂式电磁激振器的机床动刚度测量装置和XGBoost模型,建立了包含五轴数控机床位姿信息的机床动刚度模型,并通过有限元仿真建立了刀具、零件及夹具的动刚度模型;接着利用刚度串联理论和坐标变换完成对整体工艺系统的动刚度建模。在此基础上,建立一种可以通过铣削实验测量工艺系统动刚度的XGBoost模型,以获取新的工艺系统动刚度数据;最后采用自适应等弦高欠采样算法对已有的工艺系统动刚度模型进行校准和迭代。结果表明该文建立的工艺系统动刚度模型的误差率满足3σ原则。

关键词：工艺系统机床动刚度建模机器学习

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二维声学黑洞应用于压电振动能量收集

振动与冲击 2024年第7期43卷 10-17页

作者：陈兵张杨坤任江尹忠俊北京科技大学机械工程学院北京100083

声学黑洞(acoustic black hole,ABH)效应可以产生强烈的能量集中,能够将高频率低振幅的低品质振动能量转化为高振幅的高品质振动能量,从而便于利用。提出并研究了一种环形二维声学黑洞压电能量收集装置。有限元分析结果表明,环形二维AB... 详细信息

声学黑洞(acoustic black hole,ABH)效应可以产生强烈的能量集中,能够将高频率低振幅的低品质振动能量转化为高振幅的高品质振动能量,从而便于利用。提出并研究了一种环形二维声学黑洞压电能量收集装置。有限元分析结果表明,环形二维ABH结构能在宽频域内显著提高能量收集效率。搭建了环形二维声学黑洞压电能量收集器试验测试平台,通过试验验证了仿真结果的正确性。与经典二维ABH结构相比,环形二维ABH结构具有更好的能量收集效率和结构强度。分析了压电片几何尺寸等因素对装置能量收集效率的影响,得到了能获得较高输出功率的几何尺寸范围,并进行了正交试验设计,研究了截断厚度、压电片尺寸、中央平台直径、幂指数等多因素的综合影响。

关键词：弹性波声学黑洞(ABH) 能量收集机电耦合

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工位数固定的U型拆卸线部分拆卸平衡问题

控制理论与应用 2024年第6期41卷 1079-1088页

作者：吴秀丽张兴宇北京科技大学机械工程学院北京100083

为提高工位数固定的U型拆卸线拆卸效率,减少有害部件对操作人员的潜在威胁,针对高价值零部件和有害零部件的拆卸需求,本文提出了工位数固定的U型拆卸线部分拆卸平衡问题,建立了以最小化节拍时间、高危工位数目和负载均衡为目标的优化模... 详细信息

为提高工位数固定的U型拆卸线拆卸效率,减少有害部件对操作人员的潜在威胁,针对高价值零部件和有害零部件的拆卸需求,本文提出了工位数固定的U型拆卸线部分拆卸平衡问题,建立了以最小化节拍时间、高危工位数目和负载均衡为目标的优化模型,并设计了改进的变邻域搜索算法进行求解.在编码过程中提出一种基于零部件释放位置的选择策略,以减少前继零部件拆卸顺序对编码的影响;提出最小偏差二分法,有效减少解码的迭代次数;提出瓶颈挤压局部搜索策略,用以优化节拍时间和均衡负载指标.通过与其他算法对比,结果表明改进的变邻域搜索算法求解具有优越性,并且可实现对工位数固定的U型拆卸线部分拆卸平衡问题的高效求解.

关键词：拆卸线平衡 U型拆卸线变邻域搜索算法工位数固定瓶颈挤压局部搜索策略

改进迭代贪婪算法求解可重入流水车间调度问题

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计算机集成制造系统 2024年第7期30卷 2364-2380页

作者：吴秀丽李雨馨匡源崔建杰北京科技大学机械工程学院北京100083

可重入混合流水车间是在混合流水车间的基础上增加了可重入特性,具有更高的调度复杂性。为了求解可重入混合流水车间调度问题,首先建立了调度优化模型,优化目标为最小化最大完工时间,然后提出一种带精英调整的学习型迭代贪婪算法(LIG-EA... 详细信息

可重入混合流水车间是在混合流水车间的基础上增加了可重入特性,具有更高的调度复杂性。为了求解可重入混合流水车间调度问题,首先建立了调度优化模型,优化目标为最小化最大完工时间,然后提出一种带精英调整的学习型迭代贪婪算法(LIG-EA)。LIG-EA算法采用基于工件的编码方式,对重组后的染色体进行解码。种群分为精英个体和普通个体两部分,对精英个体进行精英破坏重建和基于关键工件的染色体调整,对普通个体进行学习机制的构建和普通个体的破坏重建。为提高初始种群质量,采用NEH启发式算法进行种群初始化,并针对可重入混合流水车间的重入特性,在重建操作中增加了插入有效性判断,提高了算法的运行速度。通过大量实验表明LIG-EA算法能够有效求解可重入混合流水车间调度问题。

关键词：可重入混合流水车间调度迭代贪婪算法精英解集构建关键工件调整学习机制构建