3-R-RS并联机构轻量化设计

以3-R-RS并联机构为对象,研究基于静刚度约束的轻量化设计方法。首先以机构低阶固有频率最高为依据,确定各子装配体间的刚度匹配系数,进而基于刚度匹配系数将整机静刚度约束分配至各子装配体,在此基础上,考虑工艺制造及几何干涉等约束,以各子装配体质量最小为目标,完成各子装配体的轻量化设计,进而实现整机的轻量化设计。在满足静刚度约束条件下,所提出的轻量化设计方法可使整机质量最轻,且具有优良的动态特性。     

并联驱动双向偏转平台设计与动力学分析

提出一种并联驱动双向偏转平台,动平台通过在空间呈正十字交错且同心的两个驱动拱支撑,由圆弧导轨副导向,由固联于底座的电机驱动,实现了平台绕X、Y轴的大角度偏转。给出了平台的位置、速度逆解方程,分析了其运动特性。基于Lagrange法运用虚功原理建立了平台的动力学模型,对平台进行了动力学仿真,分析了在不同外载状态下电机输出力矩的变化规律。依据所建立的动力学模型进行了理论计算,并与仿真值进行了对比分析,验证了平台的可行性与动力学模型的正确性。     

气动柔性果蔬采摘机械手运动学分析与实验

采用气动弯曲型柔性驱动器设计了一种带有柔性机械臂的多自由度果蔬采摘机械手。基于分段常曲率理论,根据柔性驱动器形变规律,建立了多关节串并联的采摘机械手运动学模型和抓持力模型,研究了机械手采摘作业时抓取模式、工作空间和手指输出力与气压的关系,并进行了相关实验验证。制作了机械手样机,并在实验室环境下进行了多种果蔬模拟采摘实验,结果表明,该果蔬机械手具有多种抓取模式,且动作灵活、柔顺可靠、易于控制,适用于球形和圆柱形果蔬自动化采摘作业。     

胶合木T梁弯曲承载力试验研究

为了增强结构整体性与耐久性,节省材料,降低造价,提出一种理论上适合工程应用的正交胶合木T梁这一新的构件形式。采用兴安落叶松板材和结构胶,制作了正交T梁、平行T梁(高跨比1/7.6)及矩形梁(高跨比1/9.2)共3组试件,进行静力弯曲承载力试验,对比分析各类构件的应变、挠度及极限承载力。结果表明:1)3类梁受弯时均为中部顺纹剪切破坏,正交T梁的抗弯承载力比矩形梁提高了33%,比平行T梁低30%;2)基于刚度等效原则,提出了将正交T梁等效为平行T梁,然后采用Rammer抗剪强度公式来计算其弯曲剪切强度的策略;3)分析表明所提出的策略合理、可靠,扩展了Rammer公式的适用范围。研究成果可为工程应用提供理论依据。     

基于深度强化学习的柑橘采摘机械臂路径规划方法

【目的】为解决非结构化环境下采用深度强化学习进行采摘机械臂路径规划时存在的效率低、采摘路径规划成功率不佳的问题,提出了一种非结构化环境下基于深度强化学习(Deep reinforcement learning, DRL)和人工势场的柑橘采摘机械臂的路径规划方法。【方法】首先,通过强化学习方法进行采摘路径规划问题求解,设计了结合人工势场的强化学习方法;其次,引入长短期记忆(Longshort term memory,LSTM)结构对2种DRL算法的Actor网络和Critic网络进行改进;最后,在3种不同的非结构化柑橘果树环境训练DRL算法对采摘机械臂进行路径规划。【结果】仿真对比试验表明：结合人工势场的强化学习方法有效提高了采摘机械臂路径规划的成功率;引入LSTM结构的方法可使深度确定性策略梯度(Deep deterministic policy gradient,DDPG)算法的收敛速度提升57.25%,路径规划成功率提升23.00%;使软行为评判(Soft actor critic,SAC)算法的收敛速度提升53.73%,路径规划成功率提升9.00%;与传统算法RRT-connec...     

采摘机械手运动控制及避障研究——基于PLC和物联网远程控制

近年来,无线通信技术发展迅猛,无线通信数据传输速度越来越快,远程控制的延时大幅降低,几乎可以忽略不计,因此远程控制逐渐被广泛应用于各个领域。为此,结合物联网远程控制技术和PLC实时控制系统优势,实现了采摘机械手的运动控制及避障系统。实验表明:所设计研究的采摘机械手运动控制及避障系统避障能力强,路径优化平滑,具有很高的可靠性和稳定性。     

基于平行竞争PSO算法的土壤水分测量研究

为了提高测量土壤水分Van Genuchten方程求解的精度,提出平行竞争PSO算法。首先在PSO算法基础上,当粒子群最大半径值小于某个阈值时,竞争才被触发,同时最差粒子被重置,粒子被重置的比例随着迭代次数增加而非线性减少;接着粒子群分成若干子群,子群的群平均适应度与原始粒子群平均适应度相差不能小于设定的阈值,引入不同的共享因子对子群与子群、粒子与子群之间进行信息共享动态调节;最后粒子适应度函数由Van Genuchten方程参数构成,给出了算法流程。实验仿真显示本文算法对测试函数求解具有收敛速度较快、解精度较高的特点,测量粉壤土脱湿数据的相对误差最大为5%,吸湿数据的相对误差最大为4%,相比其他算法都较小。     

基于逆运动学降维求解与YOLO v4的果实采摘系统研究

为提高采摘设备的执行效率，采用六自由度机械臂、树莓派、Android手机端和服务器设计了一种智能果实采摘系统，该系统可自动识别不同种类的水果，并实现自动采摘，可通过手机端远程控制采摘设备的起始和停止，并远程查看实时采摘视频。提出通过降低自由度和使用二维坐标系来实现三维坐标系中机械臂逆运动学的求解过程，从而避免了大量的矩阵运算，使机械臂逆运动学求解过程更加简捷。利用Matlab中的Robotic Toolbox进行机械臂三维建模仿真，验证了降维求解的可行性。在果实采摘流程中，为了使机械臂运动轨迹更加稳定与协调，采用五项式插值法对机械臂进行运动轨迹规划控制。基于Darknet深度学习框架的YOLO v4目标检测识别算法进行果实目标检测和像素定位，在Ubuntu 19.10操作系统中使用2000幅图像作为训练集，分别对不同种类的果实进行识别模型训练，在GPU环境下进行测试，结果表明，每种果实识别的准确率均在94%以上，单次果实采摘的时间约为17s。经过实际测试，该系统具有良好的稳定性、实时性以及对果实采摘的准确性。     

2UPR-RPU过约束并联机构刚度性能评价

运用螺旋理论和应变能方法研究了具有2R1T三自由度的2UPR-RPU过约束并联机构的静弹性刚度性能,模型考虑了杆件和关节的柔度。首先,基于螺旋理论得到分支的约束螺旋系;其次,基于材料力学得到分支中杆件的应变能,通过映射分支约束螺旋系到铰空间得到关节的应变能,通过汇总杆件、关节的应变能和卡氏定理得到与约束螺旋系对应的分支紧凑刚度矩阵;最后,通过虚功原理得到机构的总体刚度矩阵。采用有限元商业软件建立了有限元模型,并与理论模型进行对比,验证了理论模型的正确性。定义弹性元件存储的应变能与总应变能之比作为应变能因子指标,给出了应变能因子指标在规则工作空间的四维切片分布图,从应变能的角度定量评价了各弹性元件对机构刚度性能的影响程度,给出了不同载荷作用下的全局应变能因子指标。本研究为定位对机构刚度性能影响最大的弹性元件提供了新的思路。     

具有解析式位置正解的2T1R并联机构运动性能分析

求解具有解析式位置正解且部分运动解耦的并联机构,有利于后续的误差分析、动力学分析、运动轨迹规划与控制等。基于方位特征方程(POC)的并联机构设计理论与方法,设计了两种具有解析式位置正解且部分运动解耦的2T1R并联机构,并对这两种机构进行了方位特征、自由度及耦合度等主要拓扑性能分析;提出基于拓扑特征的运动学建模与求解方法,并据此求解了两种机构的解析式位置正解;基于导出的位置反解,分析了两种机构工作空间、奇异位形、动平台的速度与加速度变化规律。最后比较了两种机构的运动性能,选择了优选机型。为优选机型的动力学分析与样机研制提供了理论基础。