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基于改进量子粒子群优化算法的机器人逆运动学求解

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中国机械工程 2024年第2期35卷 293-304页

作者：陈卓凡周坤秦菲菲王斌锐中国计量大学机电工程学院杭州310018

针对工业机器人在逆运动学求解过程中存在的位姿奇异、解不唯一、求解精度低等问题,提出了一种改进量子粒子群算法。首先,利用D-H参数法建立机器人运动学模型,以机械臂末端最小位姿误差为主要优化目标,加入运动前后关节角变化最小、行... 详细信息

针对工业机器人在逆运动学求解过程中存在的位姿奇异、解不唯一、求解精度低等问题,提出了一种改进量子粒子群算法。首先,利用D-H参数法建立机器人运动学模型,以机械臂末端最小位姿误差为主要优化目标,加入运动前后关节角变化最小、行程平稳连续的约束条件,设计了目标函数;其次,通过采用Levy飞行策略改进粒子更新方式、非线性地动态调整收缩膨胀因子、采用变权重方法计算最优平均位置等方法设计了一种改进量子粒子群优化(IQPSO)算法;然后,模拟单点位姿和连续轨迹两种不同的求解情况进行三种算法(IQPSO、APSO、QPSO)的仿真对比实验,结果表明IQPSO算法具有收敛速度快、求解精度高等优点;最后,将IQPSO算法用于机械臂本体进行实物验证,实验结果表明IQPSO算法求解出的插值点所组成的轨迹连续且平滑,进一步证明了该算法应用于实际运动控制中的稳定性和可行性。

关键词：工业机器人逆运动学求解目标函数改进量子粒子群优化算法

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服役载荷与结构参数对塔式太阳能定日镜光学精度的影响

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光学学报 2024年第6期44卷 308-317页

作者：李彬颜健周炜彭佑多湖南科技大学机电工程学院湖南湘潭411201

以典型的20 m^(2)小型定日镜为对象,采用光-机集成建模方法,研究了自重和风载荷联合作用下定日镜的服役光学精度特性,综合考虑了定日镜工作高度角、风压大小和关键结构参数的影响。结果表明,沿镜面横向的斜率误差分量D_(x)要明显大于沿... 详细信息

以典型的20 m^(2)小型定日镜为对象,采用光-机集成建模方法,研究了自重和风载荷联合作用下定日镜的服役光学精度特性,综合考虑了定日镜工作高度角、风压大小和关键结构参数的影响。结果表明,沿镜面横向的斜率误差分量D_(x)要明显大于沿其竖向的D_(y),螺栓数量N增加对D_(x)影响不显著,但能显著减小D_(y),反射镜面自身刚度弱是其服役光学精度下降的主要原因;机架中角钢型材的边长a在30~50 mm之间对光学精度影响较小,但厚度t对光学精度的影响较为显著。定日镜结构变形与镜面斜率误差均随着风压载荷的增加而线性增加,且不同高度角β下总镜面斜率误差变化曲线斜率基本一致;仅在自重作用下,高度角0°~90°内总斜率误差能控制在1.45 mrad以内;镜面变形与其斜率误差分布规律完全不同,镜面斜率误差与镜面变形之间并非呈线性正比关系,采用光学精度进行评价或指导定日镜结构优化设计是最佳途径。

关键词：光学器件塔式定日镜服役载荷光-机集成镜面斜率误差光学精度

基于扩展有限元方法的自愈微胶囊和基体力学性能适配的研究

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材料导报 2024年第13期38卷 272-279页

作者：李辉郭润兰黄华黄晖阳兰州理工大学机电工程学院兰州730000

微胶囊自修复树脂矿物复合材料作为一种自愈合智能材料得到了广泛的应用。微胶囊及时开裂,释放愈合剂从而修复基体中产生的微裂纹,是确保其自愈性能的关键。本工作基于扩展有限元方法结合内聚力模型,分析在不同偏置裂纹下微胶囊和环氧... 详细信息

微胶囊自修复树脂矿物复合材料作为一种自愈合智能材料得到了广泛的应用。微胶囊及时开裂,释放愈合剂从而修复基体中产生的微裂纹,是确保其自愈性能的关键。本工作基于扩展有限元方法结合内聚力模型,分析在不同偏置裂纹下微胶囊和环氧树脂基体之间的力学性能配比以及界面性能对裂纹扩展路径和微胶囊可裂性的影响。研究结果表明:(1)裂纹的扩展路径主要取决于微胶囊与基体的断裂性能配比,而弹性性能配比起次要作用。(2)当界面具有足够的粘结强度时,相对于断裂韧性配比,微胶囊与基体的断裂强度配比是影响微胶囊开裂的主要因素。(3)裂纹的偏置距离越大,裂纹越容易发生偏转,微胶囊越不容易开裂。(4)界面缺陷的存在有利于界面裂纹的产生,不利于微胶囊的开裂。研究结果可为自修复材料在工程中的应用提供理论依据。

关键词：树脂矿物复合材料自修复偏置裂纹扩展有限元内聚力模型

隧道环境内无人驾驶车辆目标决策两级信息融合感知策略

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中国机械工程 2024年第3期35卷 427-437页

作者：王茂森鲍久圣谢厚抗刘同冈阴妍章全利中国矿业大学机电工程学院徐州221116

基于隧道内的特殊行驶环境和无人驾驶感知需求,选择合适的传感器及硬件搭建试验车辆,构建了毫米波雷达与摄像头多传感器融合的感知系统;基于YOLOv4目标级信息融合算法和改进D-S证据理论决策级信息融合算法,提出了一种“目标决策”两级... 详细信息

基于隧道内的特殊行驶环境和无人驾驶感知需求,选择合适的传感器及硬件搭建试验车辆,构建了毫米波雷达与摄像头多传感器融合的感知系统;基于YOLOv4目标级信息融合算法和改进D-S证据理论决策级信息融合算法,提出了一种“目标决策”两级信息融合策略;最后,在城市道路隧道环境内开展了感知信息两级融合验证试验,试验结果表明:相比单一的摄像头或毫米波雷达感知效果,基于摄像头与毫米波雷达传感器感知ROI区域关联实现的目标级融合结果可以提高9.51%的识别准确率,弥补了单一传感器在隧道环境内感知技术的不足;基于目标级融合感知结果,利用改进后的D-S证据理论算法再进行决策级融合,相比于单一的目标级融合结果,误检率降低了3.61%,显著提高了检测精度。采取多传感器感知信息目标决策两级融合策略能够满足隧道特殊环境内无人驾驶车辆可靠感知需求,为推动无人驾驶技术落地应用提供了理论与技术支撑。

关键词：隧道环境无人驾驶多传感器融合 D-S证据理论 “目标决策”两级融合策略

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浮动基多机悬吊系统动力耦合响应分析

振动与冲击 2024年第11期43卷 19-30页

作者：赵志刚王宝玺苏程赵祥堂郭鑫闫继亮兰州交通大学机电工程学院兰州730070

为了研究浮动基多机悬吊系统在不规则波作用下的动力耦合关系,首先利用动量定理和动量矩定理建立了浮动基机器人动力学模型,其次利用达朗贝尔原理建立了悬吊系统的动力学模型,并提出了系统动力学的耦合关系分析步骤;最后结合实例,仿真... 详细信息

为了研究浮动基多机悬吊系统在不规则波作用下的动力耦合关系,首先利用动量定理和动量矩定理建立了浮动基机器人动力学模型,其次利用达朗贝尔原理建立了悬吊系统的动力学模型,并提出了系统动力学的耦合关系分析步骤;最后结合实例,仿真分析了浮动基多机器人协调悬吊系统在不同波高、不同波长比和不同起吊速度下动力耦合响应过程。结果表明,该系统的理论研究进行了补充和完善,同时也为浮动基多机悬吊系统在实际的吊运过程中,判断安全的吊运环境提供技术支撑。

关键词：多机悬吊系统动力学模型耦合关系分析动力耦合响应

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弧齿锥齿轮动力特性分析及其神经网络控制

振动与冲击 2024年第12期43卷 166-172页

作者：田亚平杨江辉王瑞邦窦建明王建勤兰州交通大学机电工程学院兰州730070

针对含间隙锥齿轮系统动力学特性转迁及其控制问题,提出了基于胞元映射理论的参数解域结构和基于径向基函数神经网络的控制方法。采用集中质量法建立了7自由度弧齿锥齿轮动力学模型,基于胞元映射理论构建了频率和负载参数平面,采用伪不... 详细信息

针对含间隙锥齿轮系统动力学特性转迁及其控制问题,提出了基于胞元映射理论的参数解域结构和基于径向基函数神经网络的控制方法。采用集中质量法建立了7自由度弧齿锥齿轮动力学模型,基于胞元映射理论构建了频率和负载参数平面,采用伪不动点延续追踪算法求解了系统的分岔、齿面冲击、脱啮、齿背接触和动载特性转迁规律,分析发现频率和齿面冲击是影响周期分岔的主要因素,随负载增大其脱啮、冲击减弱,动载系数增大。针对平面中系统混沌现象,设计了参数反馈控制器、基于Poincaré截面欧氏距离构造适应度函数,用自适应引力搜索算法对控制器参数进行优化,从而实现了系统混沌、拟周期和周期运动向周期轨道有效控制。

关键词：非线性振动弧齿锥齿轮传动系统分岔齿面冲击径向基函数神经网络

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非高斯测量噪声下的结构响应重构

振动与冲击 2024年第11期43卷 206-216页

作者：祁义博彭珍瑞兰州交通大学机电工程学院兰州730070

针对非高斯噪声下使用卡尔曼滤波(Kalman filter, KF)算法进行响应重构时精度下降,甚至重构结果偏差较大的现象,提出一种非高斯卡尔曼滤波(non-Gaussian Kalman filter, NGKF)算法进行结构响应重构。首先将L1卡尔曼滤波(L1KF)算法引入... 详细信息

针对非高斯噪声下使用卡尔曼滤波(Kalman filter, KF)算法进行响应重构时精度下降,甚至重构结果偏差较大的现象,提出一种非高斯卡尔曼滤波(non-Gaussian Kalman filter, NGKF)算法进行结构响应重构。首先将L1卡尔曼滤波(L1KF)算法引入结构响应重构,并重新构造了L1卡尔曼滤波算法中的损失函数,其次根据损失函数导出的系数阵惩罚状态方程和观测方程的噪声协方差阵,使KF算法适用于非高斯噪声。最后通过有限的加速度测量信号,结合重构方程计算结构的加速度、速度和位移响应。数值仿真和外伸梁试验均表明所提方法在仅使用有限数量的加速度传感器进行结构响应重构时具有良好的噪声鲁棒性,能有效降低重构误差,改善多种非高斯噪声下使用KF算法进行响应重构时偏差较大的现象。

关键词：响应重构非高斯噪声卡尔曼滤波(KF)

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小型岩孔喷浆机器人设计及其性能分析

哈尔滨工程大学学报 2024年第8期45卷 1599-1606页

作者：张忠林李伟生韩瑞琦李立全张浩飞刘强刘锐哈尔滨工程大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150001

为实现喷浆作业质量均匀稳定,本文针对岩孔喷浆过程中参数的影响及其控制进行研究,采用涂层建模、理论参数计算与实验验证方法,得到了喷枪参数、进给推进速度是关键影响因素结论。建立了涂层质量与喷枪参数模型和喷涂进给速度匹配方程,... 详细信息

为实现喷浆作业质量均匀稳定,本文针对岩孔喷浆过程中参数的影响及其控制进行研究,采用涂层建模、理论参数计算与实验验证方法,得到了喷枪参数、进给推进速度是关键影响因素结论。建立了涂层质量与喷枪参数模型和喷涂进给速度匹配方程,应用于实际喷浆机器人的设计和控制系统中。研制了小型喷浆机器人,完成了喷浆机器人的喷涂实验。实验表明:小型岩孔喷浆机器人可实现对模拟实验隧洞道的喷浆支护作业,本文设计的小型岩孔喷浆机器人能够满足使用要求。

关键词：喷浆机器人喷枪参数喷涂质量控制系统喷浆支护涂层建模喷涂实验隧道模拟系统

基于Zigzag柔性簧片的大行程XY精密运动平台

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光学精密工程 2024年第13期32卷 2070-2080页

作者：赵林峰凌明祥薛立伟申浩陈立国苏州大学机电工程学院江苏苏州215000

通过采用Zigzag柔性簧片作为导向机构,提出了一种具有大行程、高精度、高频响、低应力的并联式XY二自由度精密定位平台,满足精密运动的需求。提出了以Zigzag柔性簧片单元为核心导向梁的柔顺精密运动平台结构,并采用音圈电机进行驱动,实... 详细信息

通过采用Zigzag柔性簧片作为导向机构,提出了一种具有大行程、高精度、高频响、低应力的并联式XY二自由度精密定位平台,满足精密运动的需求。提出了以Zigzag柔性簧片单元为核心导向梁的柔顺精密运动平台结构,并采用音圈电机进行驱动,实现3 mm×3 mm的运动范围和60 Hz以上的固有频率。对Zigzag柔性簧片和传统直梁柔性簧片进行有限元仿真分析对比,验证Zigzag柔性簧片运动性能的优越性。接着,对XY两自由度运动进行解耦设计,减小运动带来的寄生(耦合)误差。运用有限元分析对平台进行优化,针对高频运动引发的疲劳损伤问题,改进定位平台的构型,降低最大应力,延长平台工作寿命。分析结果表明:该平台满足运动和解耦性能的设计要求,其寄生误差为0.012%,能够实现大行程以及较高频率的运动,并且响应快速,动态特性良好。实验结果表明,定位平台的固有频率达到60 Hz,开环分辨率达1.3μm,可实现XY方向±1.5 mm行程的运动。

关键词：精密定位平台音圈电机柔顺机构低应力