含关节间隙的Delta机器人弹性动力学与振动特性分析

针对经济实用型并联机器人关节间隙对动平台位置精度与系统振动特性影响的问题,以Delta机器人为研究对象,利用数理统计原理对含关节间隙的Delta机器人支链进行了运动学分析,结合Lankarani-Nikravesh碰撞接触力模型与具有动态修正系数的Coulomb摩擦模型对关节间隙广义碰撞力进行了研究。利用空间有限元理论与拉格朗日方程,充分考虑主、从动臂的空间动力特性与运动协调关系,建立了Delta机器人弹性动力学模型,在定义杆件虚长度的基础上,将关节间隙产生的广义碰撞力结合到弹性动力学模型中,建立了含关节间隙的Delta机器人弹性动力学模型。借助FARO激光跟踪仪对间隙弹性动力学模型进行了验证分析,利用脉冲锤击法与Workbench软件仿真对Delta机器人的振动特性进行了研究分析。试验结果表明,考虑关节间隙时动平台中心点的运动轨迹较不考虑关节间隙时更靠近试验运行结果,验证了间隙弹性动力学模型的合理性与正确性,并且,系统前两阶非零固有频率的理论值与试验值的相对误差分别为3.544%和12.026%,两者相当接近。另外,由仿真结果可以发现3组从动臂是Delta机器人整机系统中最薄弱的环节。该研究可为经济实用型并联机器人的位置误差补偿与系统减振优化提供参考。     

三自由度驱动冗余并联机构动力学建模与试验

对于农业机器人而言,其动力学模型是进行动力学特性分析的基础,是实现动力学优化设计及高精度操作的前提。该文针对一种新型驱动冗余并联机构进行了动力学建模,该机构的动平台通过2个PRRR支链和1个PPRR支链与静平台相连,拥有2个转动自由度和1个平动自由度。在分析并联机构组成的基础上,充分考虑各构件惯性力的影响,建立基于Lagrange方程的工作空间完整动力学模型,并运用最小2范数法实现驱动力优化;通过分析给定路径下并联机构各主要组成构件对驱动力的影响,提出针对上述完整动力学模型的简化方案。结合并联机构应用特点,进行了仿真及试验。结果表明,非冗余驱动情况下第1,2轴向驱动力的最大值为15 N,施加冗余驱动后,最大值降为10 N,各驱动力峰值降低约33%;机构位姿角β达到57.6460o时,各驱动力均发生急剧变化,经验证可知该点为奇异点,在实际应用中应避开该点。机构末端轨迹跟踪结果显示,在Y,Z和β方向的最大跟踪误差分别为0.8 mm,0.6 mm和0.068o,因此,基于本文所建立的简化动力学模型的机器人控制系统具有良好的跟踪特性。该研究可为冗余并联机构的动力学控制方法设计提供重要参考。     

弹性蛋白酶分批发酵动力学模型的建立

对70L发酵罐内Bacillus sp.EL31410分批发酵动力学模型进行了研究。在Logistic方程和Luedeking-Piret方程的基x础上,建立了弹性蛋白酶分批发酵动力学模型。根据实验数据确定了模型参数,得到菌体生长动力学模型为dx/dt=0.180(1-x/9.77)x,弹性蛋白酶生产动力学模型为dp/dt=-dx/dt=4.278x以及葡萄糖消耗动力学模型-ds/dt=0.03(dx/dt)-7.53x。将模型预测值与实验值进行比较,结果表明模型具有良好的适用性。     

变幅轮腿机器人智能越障步态规划与平稳性分析

为了实现机器人林区伐根的智能越障,保证机器人搭载扫描设备时的越障平稳性,该文设计了一种主动摆臂六轮腿式机器人结构,它具备2个独立的摆臂轮腿运动单元以及4个复合的摆臂轮腿运动单元。该文运用拉格朗日方程建立了机身智能越障过程中的摆臂轮腿动力学模型,采用最小二乘法拟合推杆的速度函数,通过ADAMS动态仿真以及样机试验,得到该变幅轮腿机器人在智能越障10 cm高度的过程中,机身的最大侧倾角与纵倾角较被动碰撞越障的右倾4.5°和前倾2.5°减小到左倾0.75°和前倾0.4°,验证了智能越障理论建模的正确性以及该系统的可靠性。该研究为该机器人在人工林区扫描作业的平稳越障提供了理论基础。     

产细菌素的嗜酸乳杆菌WS发酵动力学模型的建立(简报)

为了嗜酸乳杆菌进一步工业化生产,需要确定嗜酸乳杆菌的发酵动力学模型,该文将嗜酸乳杆菌WS接种到MRS培养基进行发酵培养,根据其发酵过程特点,在Logistic方程和Luedeking-Pitet方程的基础上,建立了嗜酸乳杆菌WS发酵过程中菌体生长、基质消耗和产物形成的动力学模型,并用实际发酵实验值进行验证.结果表明,模型预测值和实验值吻合较好,说明该文建立的模型能较好地预测实际的发酵过程.     

温室气动天窗机构的动力学仿真研究

根据华东地区的气象资料,分析确定风载与天窗位置角的关系,同时计算天窗均布结构重力和集中力两种荷载,在此基础上,针对经过优化设计的气动天窗机构,导出气缸负载表达式.结合气压传动特性,导出驱动力矩、驱动功率、排气节流压降和天窗运动的动力学基本方程.采用非线性规划方法,以动力学基本方程为目标函数,考虑适当的约束,建立气动天窗的动力学仿真模型.模型求解给出了气缸负载、天窗驱动功率、天窗角加速度和角速度等随天窗位置角变化的过程.     

烟草生长的二次非线性示踪动力学模型

为研究示踪剂转移的非均匀动力学过程,在0时刻向烟草一次性引入某种示踪剂后,根据烟草对这种示踪剂吸收快、排除慢的情况,假设烟叶和烟茎对这种示踪剂的吸收是二次函数关系,而对这种示踪剂的排除是线性函数关系,建立了烟叶的单库室Logistic示踪模型和烟叶一烟茎的两库室二次非线性耦合示踪动力学模型.对2种模型的定性结果分析表明...     

小型农用履带底盘多体动力学建模及验证

多体动力学建模及仿真是研究履带车辆动力学性能的重要手段,其分析结果是否可信取决于所建立的动力学模型是否准确。该文以自主研制的小型农用履带底盘为对象,运用极限理论和瞬态运动分析法建立了履带底盘的运动学方程,运用拉格朗日法建立了履带底盘的动力学方程,在此基础上,结合履带底盘的拓扑结构分析建立了其多体动力学模型,并通过不同路面环境下履带底盘直线行驶的实车试验与仿真结果的对比分析验证了模型的有效性、可信度。结果表明:硬质、松软2种路面环境下履带底盘直线行驶时的平均速度、侧向偏移量、驱动轮转矩和履带张紧力等仿真分析数据与实车试验结果的相对误差分别为5.00%、2.27%,3.86%、6.83%,3.15%、4.66%,0.15%、0.62%,吻合度较好,说明所建立的履带底盘动力学模型准确度较高。该研究可为后期履带底盘动力学性能的深入研究提供参考模型。     

Analysis on autonomous task trajectory tracking performance of construction robot with online gravity compensation

工程机器人自主作业时,工程机器人动臂举升、前臂摆动重心上升过程中需要克服自身重力做功,而在工程机器人动臂下降、前臂摆动重心下降过程中,自身重力要参与做功,影响工程机器人的运动速度,进而影响工程机器人自主作业的轨迹跟踪效果。针对这一问题,建立了工程机器人动臂、前臂的动力学模型,探讨采用最小二乘拟合法辨识动力学参数,进行工程机器人动臂、前臂的在线重力补偿,以消除在自主作业过程中重力做功对轨迹跟踪的影响。最后,在工程机器人试验台上进行了试验。试验结果表明,在线重力补偿可有效地补偿工程机器人自主作业过程自身重力,消除工程机器人动臂和前臂在运动过程中重力做功对自主作业轨迹跟踪过程的影响,有利于减小轨迹跟踪误差,提高工程机器人自主作业轨迹跟踪的性能。     

在线重力补偿下工程机器人自主作业轨迹跟踪性能分析

工程机器人自主作业时,工程机器人动臂举升、前臂摆动重心上升过程中需要克服自身重力做功,而在工程机器人动臂下降、前臂摆动重心下降过程中,自身重力要参与做功,影响工程机器人的运动速度,进而影响工程机器人自主作业的轨迹跟踪效果。针对这一问题,建立了工程机器人动臂、前臂的动力学模型,探讨采用最小二乘拟合法辨识动力学参数,进行工程机器人动臂、前臂的在线重力补偿,以消除在自主作业过程中重力做功对轨迹跟踪的影响。最后,在工程机器人试验台上进行了试验。试验结果表明,在线重力补偿可有效地补偿工程机器人自主作业过程自身重力,消除工程机器人动臂和前臂在运动过程中重力做功对自主作业轨迹跟踪过程的影响,有利于减小轨迹跟踪误差,提高工程机器人自主作业轨迹跟踪的性能。     

六足步行机器人腿部机构运动学分析

为了提高农业自动化程度,拓宽农业机器人的应用范围,提高农业机器人对工作环境的适应性及工作的灵活性,该文介绍了一种六足步行机器人三自由度腿部机构。该机构由并联驱动机构和行走机构组成,既具有并联机构的特点,又具有很好的防护性。该文建立了驱动机构动平台线速度与角速度之间的关系矩阵和该腿部机构全雅可比矩阵,绘制了全雅可比矩阵条件数分布图,建立了并联驱动机构和腿部行走机构显式3×3×3形式Hessian矩阵。在满足步矩为300 mm、越障高度为200 mm的条件下,利用组合多项式的方法,对该腿部足端进行轨迹规划,并求出了足端轨迹函数。将该轨迹函数作为足端输入,分别绘制了机构驱动关节在摆动相的角速度、角加速度理论曲线和虚拟样机仿真曲线。分析曲线中的数据可得角速度、角加速度的理论与仿真结果相近度均可达到10-3 mm,从而验证了理论分析的正确性。该研究为六足机器人的开发和控制提供了参考。     

设施园艺电驱移动平台轮毂电机设计及其磁-热耦合性能

针对设施园艺作业场景下电驱移动平台的低速大扭矩牵引作业需求,该研究设计了一种减速内转子轴向磁通轮毂电机,建立电机的电磁有限元模型并分析其电磁和损耗特性。考虑到绕组电阻率受温度变化影响,构建基于热网络法的轮毂电机磁-热耦合改进模型。与台架试验结果相比,基于改进模型获得的转矩预测值较传统模型的精度提高了5.33%,验证了模型的正确性。利用改进模型分析了温度和相电流对电机转矩特性的影响,仿真结果表明,输出转矩随电机温度增加而降低;在0～20 A,电机平均输出转矩与相电流呈线性关系。试验结果表明,轮毂电机功率随转速增加而增大,峰值功率可达4.59 kW,而转矩基本保持恒定;在转速450～900 r/min、转矩300～600 N·m时,电机效率高达93.2%。研究结果可为轴向磁通电机初步设计与多场耦合影响下电机性能分析提供思路。     

芒果采收车机械臂运动特性分析及试验

为提高芒果采收车机械化采摘的适应性,该研究采用多体动力学理论方法对其机械臂的运动特性进行分析。首先,结合芒果生长和农艺特征及采摘机械臂几何构型与向量特性,运用D-H法建立了机械臂运动学模型以探索其运动特性,并进行末端执行器运动轨迹规划。轨迹规划结果表明末端执行器运动平稳,满足芒果采摘运动要求。进一步地,利用拉格朗日法构建了机械臂的动力学模型,对其进行了正逆动力学仿真验证,以深入了解机械臂的关节运动特性。动力学分析结果表明,在恒力矩工况下,伸缩装置和摆动装置的运动呈现一定的周期性,摆动装置、旋转装置角加速度和伸缩装置加速度均约在1.25、2.3、4.15 s达到阶段峰值;在仅做摆动周期运动的情况下,旋转装置、摆动装置所受驱动力矩均近似呈周期性变化,峰值分别为72.5与52 N·mm,且在一个运动周期内,均有两个极大值点。对机械臂结构进行仿真模态计算和模态试验,结果表明前六阶固有频率误差在5%以内,验证了芒果采收车机械臂多体动力学仿真建模的准确性。研究结果可为保证有效实现机械臂的采摘效果及提高其可靠性与稳定性提供依据。     

机器人倾倒碰撞动力学建模与不同刚度下碰撞响应

为了确定刚度对柔性臂倾倒碰撞力的影响,基于混合坐标法建立柔性臂运动学模型,利用假设模态法对柔性变形解耦,基于Hertz接触理论和非线性阻尼理论建立接触碰撞力模型,利用Lagrange方程建立了含碰撞的动力学方程。编写了变步长变精度的四阶Runge-Kutta数值求解算法。对不同刚度下柔性臂的碰撞响应进行仿真,得到了接触力、关节转角、角速度和弹性变形曲线。对比可得,随着抗弯刚度增大,接触力变大且峰值出现的相位提前,且碰撞后柔性臂关节转角变小,弹性变形和角速度的振动都减小;材质结构阻尼对弹性振动变形有明显的抑制。该文所建模型和求解方法有效。     

四足激光除草机器人腿部结构参数优化

电驱四足激光除草机器人的续航能力取决于其电池容量和自身功耗,为了提高其续航能力,降低其目标轨迹下的驱动力矩将具有重要意义。该文以四足激光除草机器人为研究对象,提出一种动力学尺度综合方法,将其腿部尺寸参数作为优化设计目的,在给定的目标轨迹上,针对腿部关节驱动力矩进行优化,最终得到一组最优腿部杆长,使其完成目标轨迹的驱动力矩和功耗最小。以四足机器人腿部关节驱动力矩最大值最小作为优化目标,腿部尺寸参数作为约束变量,利用粒子群算法和理想点法进行二次优化,将多目标优化问题转化为单目标优化问题,得到一组最优杆长。计算结果表明:经过尺度综合后的四足机器人动力学性能得到明显改善,优化后单腿的大腿关节驱动力矩峰值下降5.29%,小腿关节驱动力矩峰值下降18.05%,验证了该尺度综合方法的有效性。该文提出的动力学尺度综合方法可为四足类机器人的设计提供参考依据。     

果蔬采摘机器人末端执行器的柔顺抓取力控制

为了尽可能减小采摘机器人末端执行器在采摘过程中对果蔬的损伤,提出了一种基于广义比例积分(GPI,generalized proportional integral)的抓取力矩控制方法。首先,对由电机驱动的末端执行器建立模型,推导出电机输入电压与负载力矩之间的数学关系;然后,利用积分重构器设计GPI力矩反馈控制器,将力偏差转化为电机的输入电压控制。该方法不需要对力矩跟踪误差进行求导计算,避免了求导所带来的系统延时和噪声问题。仿真和实物抓取试验结果表明,采用GPI的末端执行器力矩控制对跟定信号的跟踪误差达到10-3量级,具有良好的力矩跟踪能力,与传统PI(proportional integral)控制方法相比,其控制力矩和电机控制电压输出平稳,降低了末端执行器抓取时对果蔬的损伤,无损采摘效率达到90%,比PI控制的采摘完好率高出8个百分点,适合于对果蔬的柔顺抓取控制。该研究可为果蔬采摘机器人无损采摘提供参考。     

农业机器人新型肘关节的静力学性能分析

为了提高农业自动化程度,改善农业机器人的通用性与适应性,提高农业机器人工作时的承载能力和利用率,该文提出一种基于二自由度正交球面并联机构的农业机器人新型肘关节。新型肘关节由2条支链组成,其动平台相对于机架具有2个转动自由度。新型肘关节与其它机器人的肘关节相比,具有良好的运动性能和较大的工作空间。对新型肘关节进行静力学性能分析,首先采用虚功原理的方法建立新型肘关节的静力学传递方程,该方法简化了肘关节的静力学计算过程;其次,利用矩阵理论中的范数知识,将力雅克比矩阵引入到静力学性能评价指标中,定义了肘关节的静力学力矩传递性能评价指标和力矩输入均衡性评价指标,分析了肘关节的静力学特性,并绘制了肘关节的静力学性能评价指标在工作空间内的性能图谱。分析结果表明,农业机器人新型肘关节的力矩传递性能指标和力矩输入均衡性能指标都呈对称分布,静力学力矩传递性能随着转角的增大而降低,在初始位置附近约50%的工作空间内具有良好的静力学特性和运动稳定性。该研究为农业机器人新型肘关节的优化设计提供参考。     

带有自锁式关节的农业六足机器人能耗优化模型及验证

六足机器人具有成为丘陵山区未来重要农业装备的潜力,但高能耗是其实际应用的技术瓶颈。普通机器人关节无自锁特性导致其在静立时也需耗能以克服重力,而如果让关节自锁以保证静立时不耗能,则运动能耗又将大幅提高。为此,该文以机器人在运动及静立过程中的综合能耗最少为目标,给出带部分自锁式关节的六足机器人设计方案,提出其能耗优化模型：引入经试验验证的关节正反向驱动力矩传递效率差异来修正现有模型缺陷,基于地面力学修正现有约束条件,针对自锁式关节不同配置给出对应的目标函数。以模型给出的能耗极小值为评定依据,对自锁式关节进行优化配置。试验及仿真结果表明：所提出的能耗优化模型比现有模型更准确,能进一步降低运动能耗40%以上;对特定构型的六足机器人,不使用自锁式关节时静立功耗超过38 W,所有关节均可自锁时运动能耗比前者高3倍以上;在应用该文优化模型和最优关节配置方案后,既可保证静立能耗为0,又可保证运动能耗与不使用自锁式关节时基本相当：完成30°下坡、平路、30°上坡行走时,运动能耗仅分别高出14.2%、16.3%、45.5%。该文提出的能耗优化模型可为带有自锁式关节的农业六足机器人设计和能耗优化提供理论支持。     

压差式管道机器人柔性多体系统流固耦合模型构建

流体驱动下压差式管道机器人的运动属于复杂的流固耦合动力学问题,通过数值模拟方法分析机器人的动力响应,评估机器人在管道内的巡线能力具有重要的工程意义。该文基于耦合的欧拉-拉格朗日(Coupled Eulerian-Lagrangian,CEL)方法,构建了机器人柔性多体系统的流固耦合动力学模型,以平均驱动压差、平均摩擦力和密封皮碗的米塞斯应力峰值为指标,评价机器人对管道环境的适应性。数值模拟结果表明,与3舱段管道机器人相比,5舱段管道机器人的平均速度和速度波动幅值分别降低5.3%和18.6%,但是平均驱动压差、摩擦力和峰值米塞斯应力分别增加了56.9%、95.7%和42.0%。由此,随着舱段数增加,密封皮碗的变形进一步增加,流体需提供更大的驱动压差克服摩擦力作用,但机器人系统的速度平稳性有所提高。3舱段和5舱段机器人在管道焊瘤高度20 mm、弯道角度90°、弯道曲率半径300 mm时的平均摩擦力、平均驱动压差以及密封皮碗的米塞斯应力峰值均达到最大值:3舱段机器人分别为0.98MPa、10.61kN和28.30 MPa,5舱段机器人分别为0.63 MPa、5.64 kN和24.16 MPa。因此,与3舱段机器人相比,在弯道与焊瘤约束的联合作用下,5舱段机器人需要消耗更多的流体压力能克服管道的约束阻力;更高的摩擦力将使密封皮碗磨损加速,削弱密封性能,而更高的米塞斯应力峰值也将增加密封皮碗的脆性断裂风险,导致5舱段机器人对于管道环境的适应性弱于3舱段机器人。研究结果可为管道机器人的巡线能力评价和设计优化提供参考。