基于深度强化学习微小软排线装配技术的研究

传统机器人控制方法仅限于固定种类和较为规则的来料,通过位置关系完成装配。由于排线的形态变异较大,很难实现抓取和自动化组装,排线的组装成功率和良率较低。针对宽度小于2 mm微小排线装配难题,通过机器3D视觉传感、力觉传感、触觉传感和本体觉传感等多模态融合技术,设计一套基于深度强化学习的微小软排线装配智能控制算法。在此基础上搭建了一组由协作机器人、六维力传感器、3D机器视觉系统组成的实验设备,并在多环境、不确定因素下验证了此方法装配的可行性。基于高精度微小排线的装配要求,通过深度强化学习多模态控制方法大幅提升了可靠性和装配的成功率,相比传统控制方法装配效率提升15%以上。此测试系统的装配精度可达±0.1 mm,装配成功率到达98%以上。

面向微小软排线装配的阵列触觉状态感知技术

针对微小软排线装配操作中器件体积小且存在视觉遮挡的问题,提出一种基于电容式阵列触觉传感器的机器人软排线装配状态感知技术。首先,对电容式三维触觉感知机理进行分析,并针对软排线装配的小尺寸空间感知需求,设计了一种基于垂直拓扑网状介质层的高灵敏阵列触觉传感器,实现微小软排线装配状态的高灵敏感知。其次,为突破布线复杂度与阵列扫描周期的限制,基于电容数字芯片拓展实现高动态三维阵列信息扫描系统的设计与微小软排线装配状态的高动态感知,并完成小型化电容式阵列触觉传感器的一体化制备。最后,搭建机器人软排线装配操作系统并实时采集和分析软排线装配过程中的阵列触觉信息特征,以验证所提出技术的准确性和有效性。

无自旋交换弛豫原子磁强计的主动磁补偿

由于外界磁场扰动会降低无自旋交换弛豫(SERF)原子磁强计的磁场测量灵敏度,本文根据SERF原子磁强计的测量原理,提出了一种基于原位磁测补偿外部磁场扰动的方法。该方法通过调制解调的方法对3个方向的磁场进行解耦,实现3个方向磁场信息的独立测量。然后,将3个方向磁场的测量信息作为反馈,调节电流源输出给线圈的电流,使线圈产生一个与外界扰动磁场大小相同方向相反的补偿磁场。最后,在现有的SERF原子磁强计实验平台上搭建了主动磁补偿系统,实现了对外部扰动磁场的补偿。与手动补偿方式相比,本文提出的主动磁补偿方法可将剩余磁场的平均值从0.317 8nT降低到0.040 4nT,同时将剩余磁场的均方差由0.348 1nT降低到0.024 7nT。得到的实验结果验证了本文所述方法的有效性。

双重驱动2-DOF平面并联机器人系统的研究

研制了一种新颖的高速高精度柔性机器人机构。采用高速精密直线电机驱动2-DOF平面并联压电智能杆机构,针对柔性机器人机构的振动问题,以直线伺服电机作为机器人的主驱动源实现高速精密点位控制并采用脉冲整形技术减小末端残余振动,以压电陶瓷作为从驱动源采用闭环反馈控制策略抑制末端残余振动。实验研究和测试结果表明:机器人系统的最大加速度为2 g,稳定时间小于150 ms,重复定位精度小于±5μm,实现了高速高精度的点位控制。

原子自旋陀螺仪核自旋磁场自补偿系统

原子自旋陀螺仪以其超高的理论精度已经成为各国争相研究的新一代陀螺仪,具有极大的开发价值和应用潜力。高精度原子自旋陀螺仪是以高质量原子自旋SERF状态的保持作为前提的,为了实现此目标就必须通过核自旋磁场自补偿以避免外界磁场变化对原子自旋定轴性的扰动作用。而国内现有原子自旋陀螺仪核自旋磁场自补偿方法大多依靠手动调节,精度不高且无法实时跟踪核自旋磁场自补偿点。因此,根据推导的原子自旋陀螺仪核自旋磁场自补偿动力学方程,进行了实时跟踪核自旋磁场自补偿点的仿真实验,在此基础上,基于美国NI公司的PXIe信号采集系统以及LabVIEW软件平台设计了自动跟踪磁场自补偿点的测试系统。最后结合试验平台进行了验证,结果表明所研制的原子自旋陀螺仪核自旋磁场自补偿系统可实时有效地跟踪核自旋磁场自补偿点,增强了原子自旋的SERF状态。

机器人动力学分析的等效有限元建模方法

介绍了一种机器人动力学建模的等效有限元法。引入等效单元的概念,通过广义惯量矩阵相等的等效单元准则提出了单元伪质量阵的概念,基于有限元思想规则组装得到等效系统的伪质量阵。基于动力学普遍方程和等效力系的概念推导出了系统的动力学微分方程,该方程表述简单、规范,适于计算机编程,使人工分析量大大减少,提高了建模效率。利用该方法推导了2-DOF平面并联机器人的动力学方程,验证了方法的正确性和有效性,为其他复杂机器人机构的动力学分析提供了一种新的可供利用的手段。

一种梁杆结构稳定性分析的精确有限元法

在插值理论下,给出了梁杆系统在常规有限元方法中描述的切线刚度阵.由二阶理论和随动坐标法建立了梁杆系统精确几何非线性有限元增量平衡方程和切线刚度阵.针对有限元方法在结构稳定性分析中的应用,对常规有限元方法和精确方法进行了比较,用实例说明,精确方法较常规方法在计算精度、工作量方面有着巨大的优势.

带柔性伸杆小卫星振动控制的半物理仿真实验

在空间探测任务中,为了避免卫星平台剩磁对空间待测信息的干扰影响,需采用轻质的伸杆机构支撑各类探测载荷远离卫星本体,而伸杆的弹性振动不可避免地会耦合作用到卫星本体,从而降低卫星本体的姿态控制精度和稳定度。针对此问题,提出了一种基于伸杆最优指令整形结合本体自适应扰动抑制滤波器的复合振动控制策略,即采用指令整形技术抑制柔性伸杆的弹性振动,同时设计自适应扰动抑制滤波器进一步抵消柔性伸杆残余振动对本体的干扰影响,最后在搭建的半物理仿真实验平台上对控制方法进行了实验验证。结果表明:此方法在有效抑制柔性伸杆残余振动的基础上,通过干扰抵消和抑制的控制策略可显著提高此类航天器的姿态控制精度和稳定度。

梁杆结构稳定性分析的一种精确有限元方法及其优化

由二阶理论建立了梁杆结构分析的精确几何非线性有限元增量平衡方程 ,并利用精确有限元方法对一些典型结构进行了稳定性分析。基于梁杆结构的稳定性分析提出了结构稳定优化的概念。对一些典型受力结构的分析表明 :通过对梁杆结构的稳定性分析进行优化设计是可行的 。

空间柔性伸杆机构振动抑制的半物理仿真试验

研究空间柔性伸杆机构的振动抑制问题,提出一种基于伸杆机构自适应指令整形(Adaptive input shaper,AIS)与航天器本体输出反馈控制相结合的复合控制策略,基于经验传递函数估计方法(Empirical transfer function estimate,ETFE),建立最优指令整形器(Optimal arbitrary input shaper,OAIS)的自调整机制,得到改进的自适应指令整形器。以金字塔构型的单框架控制力矩陀螺簇(Single gimbal control moment gyros,SGCMGs)为本体执行机构,详细设计基于实时仿真机、PMAC实时运动控制板卡、SGCMGs等实物的半物理仿真试验平台。在考虑环境干扰力矩以及执行机构控制受限的情况下对控制方法进行半物理仿真试验验证。结果表明:与基于OAIS及无指令整形前馈控制的复合控制方法相比,提出的控制方法可有效抑制伸杆机构的低频振动,实现航天器本体姿态的精确跟踪和伸杆机构的高精度指向控制。

基于触力感知的空间非合作目标惯量参数辨识方法研究

因空间机械臂系统内部存在较强的动力学与运动学耦合关系,为防止捕获操作对系统的姿态和轨迹产生影响,需对捕获的空间非合作目标的惯量参数进行精确辨识,针对传统的辨识研究仅考虑辨识的基本原理,忽略了实际辨识过程中存在的辨识误差等重要问题,提出了一种新颖的基于触力信息的空间非合作目标惯量参数完整辨识方法。先对辨识过程中存在的各种误差及其对辨识结果影响进行了理论推导,在此基础上提出了一种包含末端触力信息及末端执行器力、力矩信息的改进辨识方程,削弱辨识过程中误差的累积效应及其对辨识结果的影响。此外,考虑量测误差中包含复杂的噪声信息,提出了递推最小二乘法-仿射投影符号算法(RLS-APSA)混合算法,并基于此算法解算辨识方程,以确保辨识结果的稳定性。为验证所提辨识方法的有效性,构造了多自由度空间机械臂系统模型,用Adams-Matlab联合仿真平台进行相应的仿真实验,实验结果证实了所提辨识方法的有效性。

2-DOF平面并联机器人结构参数优化的研究

提出了一种新颖的高速高精度机器人机构:采用高速精密直线电机驱动-2-DOF平面并联杆机构.在杆机构的设计中,以结构紧凑和抑振为目标,分别采用模拟退火算法和有限元动力仿真进行了几何尺寸和截面尺寸的优化,并提出了一种基于本模型特点的新解产生机制.实验测试结果表明:经优化设计后的平面并联杆机构刚度大,高速运动下的残余振动<1 μm,直线电机的稳定时间成为决定机器人稳定时间的关键因素.

压电智能结构有限元动力模型及其振动主动控制的研究

推导了压电智能结构的有限元动力方程；应用模态控制理论对结构振动主动控制的原理和策略进行了讨论，利用两种反馈控制律研究了智能结构振动抑制的问题，最后应用本文方法对一新型2—DOF平面并联压电智能杆机构进行了振动主动控制实验研究，结果表明系统的稳定时间从抑振前的488ms缩短到了抑振后的115ms，验证了本文方法的有效性。

高速高精度平面并联机器人模糊自调整PID控制方法的研究

针对推力波动、负载变化等非线性因素对高速高精度平面并联机器人系统稳定时间的影响 ,本文设计了一种新颖的模糊自调整PID控制器 :系统的位置偏差较大时 ,采用PI控制器 ,保证系统的平滑、稳定 ;当系统发出停止命令后 ,引入模糊增益参数自调整机构 ,加快静差消除 .模糊增益参数调整机构采用“一维输入 -二维输出”的推理结构 ,消除了参数调整中的“耦合影响” ;为缩短整定时间 ,减少整定参数的数量 ,不同增益 ,误差E的模糊论域划分各不相同 .经实验验证 :引入该模糊自校正PID控制器后 。

基于离散型扰动观测器的直线电动机控制研究

针对推力波动、摩擦力等因素对直线电动机控制性能的影响,设计了一种基于扰动观测器的高速高精度位置伺服系统。采用离散时间的扰动观测器设计方法,对考虑与忽略时间延迟环节时,扰动观测器的品质进行比较。仿真分析与试验研究表明:在高速高精度的直线电动机运动控制中,引入带有时间延迟的扰动观测器,能够消除直线电动机速度响应曲线中的微小振荡,减小位置响应曲线中的超调和稳定时间。

三轴力解耦测量的高灵敏触觉传感器

针对传统的电容式触觉传感器因存在信号耦合测量,导致切向灵敏度远低于法向灵敏度的问题,基于多层电容结构,设计了一种三轴力解耦测量的高灵敏触觉传感器。传感器分为切向和法向测量单元,切向测量单元采用对称分布的差分式指状结构保证切向高灵敏测量,并结合超薄弹性硅胶介质,提高切向介质层有效压缩刚度,以抑制法向信号的耦合干扰;法向测量单元的介质层采用一种弹性稀疏网状微结构,用于法向高灵敏测量,并通过拓展法向接地极消除切向信号的耦合干扰。在对电容结构参数化设计的基础上,完成触觉传感器的制备,并搭建三轴力测试系统进行测试。结果显示,传感器的切向X,Y以及法向的测量灵敏度为0.206 pF/N,0.251 pF/N,0.148 pF/N;切向X-Y以及切向-法向之间的最大静态耦合比分别为7.636%,1.051%。本传感器实现了三轴力的解耦测量及切向、法向相同量级的高灵敏特性。

敏捷机动小卫星姿态的非线性自适应控制及实验研究

针对敏捷小卫星在运行过程中遇到的各种不确定性和干扰等问题,研究了以单框架控制力矩陀螺(SGCMGs)为执行机构的小卫星姿态机动和跟踪控制方法。在航天器动力学建模时考虑了执行机构的模型;设计了一种具有自适应能力的非线性控制器,并利用Lyapunov理论证明了控制系统的渐近稳定性;为校验该方法的有效性,搭建了基于SGCMGs的敏捷卫星姿态控制系统的半物理仿真实验平台,并考虑模型不确定性、外界干扰及执行机构控制力矩受限的情况进行了半物理仿真实验,相关结果校验了本文方法的有效性。

某空间伸杆机构的摩擦补偿及反步自适应控制

面向某新型大伸展(收拢比)、高载荷(自重比)伸缩式空间伸杆机构的实际应用需求,研究其低速伸展过程中摩擦力矩补偿及其反步自适应控制方法。考虑伸杆伸长量等各种因素引起的摩擦力矩变化,将其等效描述为摩擦变化系数的影响,由此得到Lu Gre改进模型的摩擦表征。在此基础上,设计基于摩擦力矩补偿的反步自适应控制器,以补偿和抑制模型不确定性和摩擦影响。最后通过仿真校验表明,该方法不依赖精确的动力学模型,能够在保证鲁棒性的前提下有效提高系统控制性能。

高加速度运动系统的非线性摩擦前馈补偿控制

高加速度运动系统中非线性摩擦的建模补偿对提高轨迹跟踪性能至关重要。本文针对传统参数化模型难以准确预估高加速度运动启停阶段摩擦过冲等非线性摩擦的问题,在传统模型结构的基础上,结合扩展Stribeck模型,提出一种扩展参数化模型,模型参数的训练和学习样本源于高精度迭代学习控制获取的有限轨迹下非线性摩擦前馈补偿数据,并采用Levenberg-Marquardt算法拟合模型参数。最后,在音圈电机驱动的高加速定位平台上针对不同运动轨迹进行了实验验证。结果表明,该方法能够克服传统参数化模型难以消除高加速度启停阶段摩擦过冲等非线性摩擦对轨迹跟踪精度的影响;且与迭代学习控制的轨迹跟踪精度接近,有效避免了迭代学习泛化性差等问题,可实现工作空间下任意轨迹的摩擦补偿。

一种新型2-DOF平面并联机器人系统的研究

提出了一种新型2-DOF平面并联机器人机构,它采用两台直线电机驱动平面并联杆机构,同时兼备直线电机高速、高精度运动和并联操作臂刚度大等优势.采用等效有限元的建模方法建立了2-DOF平面并联机器人系统的动力学方程,通过对动力学模型分析发现,系统中直线电机的负载波动较剧烈.为克服负载波动对直线电机的稳定性及动态性能的影响,设计了一种基于扰动观测器的直线电机控制器.通过实验研究和系统测试表明:直线电机的动态性能和稳态性能良好,2-DOF平面并联机器人系统的最大加速度为2g,稳定时间小于60ms,重复定位精度小于±2μm,实现了高速高精度的点位控制.