圆弧柔性铰链的优化设计

柔性铰链是高精度柔性机构的关键部件,其运动精度与运动范围影响着柔性机构的性能,本文对圆弧柔性铰链进行了柔度矩阵推导,并依据柔度方程进行优化设计。采用结构矩阵法建立了圆弧柔性铰链的柔度方程,对矩形截面的翘曲抗扭刚度进行推导,得到了约束扭转状态下的扭转柔度近似方程。为相对长度较小铰链的扭转刚度精确求解提供了依据。对比理论计算结果与有限元分析结果,结果显示扭转柔度的最大相对误差在10%左右,其余方向柔度相对误差低于6%,验证了柔度方程的准确性。采用正交试验直观分析法得到柔性铰链各设计参数对转动刚度的灵敏度,并利用多目标遗传算法对柔性铰链的转动柔度以及轴向刚度两个目标进行了参数优化。通过优化结果与设计经验选取参数的对比,发现优化后圆弧柔性铰链的弯曲柔度提升了5.12%,同时铰链的轴向刚度提升了4.72%,证明针对圆弧柔性铰链的优化设计具有明显效果。

压电微定位系统自适应鲁棒有限时间跟踪控制

针对压电微定位系统中存在外界扰动、迟滞等时变不确定、非线性因素影响其定位精度的问题,提出了一种基于函数逼近的自适应鲁棒有限时间控制策略。通过引入具有连续、非奇异,且有限时间收敛特性的终端滑模面,设计了满足压电微定位系统的轨迹跟踪控制律。为了克服该控制器依赖于系统不确定量的边界信息,采用傅里叶级数进行动态逼近,并针对其逼近误差,利用模糊逻辑系统实现在线补偿。最后,应用Lyapunov函数获得傅里叶系数及模糊调节参数的自适应律,并证明了该控制器的有限时间稳定性。仿真分析与实验结果验证了控制策略的鲁棒性与有效性。

航天器微振动主动控制研究

随着航天领域的不断发展,航天器搭载的高精密仪器对振动环境的要求更加严格。本文针对航天器微振动的主动控制进行了分析。首先,根据隔振要求的不同,分别建立了单轴隔振器的扰动位移传递和干扰力传递的开环传递函数以及基于力反馈的闭环传递函数;然后,以扰动位移抑制为例通过理论推导分析了基于力反馈PI控制与线性自抗扰控制的主动隔振效果,并讨论了巴特沃斯滤波器对主动隔振系统的影响。最后,搭建了单轴主动隔振实验平台,验证了理论推导结果的正确性,LADRC控制可以在20~500 Hz全频带取得较好的隔振效果。微振动的衰减率在低频段达10 d B,在谐振频率和高频处达20 d B。

一类含未知非线性迟滞的智能压电作动器鲁棒有限时间运动控制

针对一类存在外界扰动、迟滞等时变不确定、非线性的压电作动器系统,提出了一种新的鲁棒控制策略。该控制器在快速非奇异终端滑模控制的基础上,引入时延估计技术,实现在线估计并补偿系统时变不确定量,而无需系统模型。采用鲁棒精密微分器实时估计速度及加速度信息,克服了实际中只有位移信号可测的不足。相比传统时延控制,所提的控制律采用非线性滑模面,保证跟踪误差能够有限时间收敛。最后利用Lyapunov函数证明了系统的稳定性。理论分析及仿真结果表明,所提控制策略能够满足微/纳定位应用中的高精度鲁棒跟踪性能要求。

全向移动机器人模糊自适应滑模控制方法研究

针对Mecanum轮型全向移动机器人在车轮打滑和重心偏移等不确定非线性因素影响下的轨迹跟踪精度问题,提出了一种基于动力学模型的轨迹跟踪控制方法。首先,对机器人进行了运动学与动力学分析。然后,根据传统固定增益滑模控制律存在的抖振现象,设计了基于模糊自适应增益调整的滑模控制器,并通过李雅普洛夫函数证明了控制系统的稳定性。最后在不同扰动作用下,分别以圆和直线为参考轨迹进行跟踪仿真。结果表明:该控制系统具有较好的抗干扰性和鲁棒性;对比固定增益滑模控制方法,笔者所提方法很好地改善了控制输入量的抖振现象,为全向移动机器人在实际轨迹跟踪控制中的运用奠定了理论基础。

智能扫地机器人双环积分滑模控制方法研究

针对Mecanum轮型扫地机器人在车轮打滑和重心偏移等不确定非线性因素影响下的轨迹跟踪精度问题,提出了一种基于修正动力学模型的轨迹跟踪控制方法。首先,对机器人进行了运动学与动力学分析。然后,根据外界干扰及参数估计的不确定性对动力学模型进行了修正,设计了双环积分滑模控制器,并通过Lyapunov函数证明了控制系统的稳定性。最后,在不同扰动作用下,以圆为参考轨迹进行跟踪仿真,结果表明:该控制系统具有较好的抗干扰性和鲁棒性,避免了因不确定性参数估计带来的建模误差,为扫地机器人在实际轨迹跟踪控制运用中奠定了理论基础。

基于压电作动器驱动的微操作机构设计与运动控制

设计了一种由压电作动器驱动的微操作机构。基于柔顺机构原理设计了桥式位移放大机构,以改善压电作动器的输出位移。利用伪刚体法和Euler-Bernoulli柔性梁理论建立微操作机构的静力学模型,并通过Lagrange方法推导出其动力学方程,进而获得机构的自然频率。借助于差分进化算法进行柔性铰链几何尺寸优化,并与计算机有限元仿真分析进行交叉验证。最后,实验验证了所提出微操作机构能够获得位移放大倍数为9.8和行程为180μm;在基于观测器PID控制下,机构位移均方根误差和最大位移误差分别为0.071、0.128μm。本文提出的微操作机构具有精度高、鲁棒性强的运动效果。

压电作动器的支持向量机迟滞模型

压电作动器被广泛应用于高精度定位领域,但是其固有的迟滞非线性会严重影响定位精度。为了准确地描述压电作动器的迟滞特性,提出了一种基于非线性自回归移动平均（NARMAX）的支持向量机（SVM）迟滞模型。为了建立SVM迟滞模型,首先需要将压电作动器的输入输出关系从一个多值映射问题转化为单值映射问题,对比了不同的单值映射对SVM迟滞模型精度及泛化能力的影响,提出了一种基于NARMAX构建单值映射的方法,建立了在全局上具有更高精度的压电作动器SVM迟滞模型。通过减小训练集中所包含输入信号频率的间隔,提高了模型在测试集上的精度。采用交叉验证的方法确定SVM模型中的参数,提高了迟滞模型在全局上的精度和泛化能力。结果表明,相比传统Bouc-Wen模型,所提出的模型在1 Hz处精度提高了8倍,在50 Hz处精度提高了60倍。通过位移跟踪实验,证明了基于SVM迟滞逆模型的前馈＋反馈（FF＋FB）控制能够有效提高跟踪精度,相较于PID反馈控制,其跟踪误差最多可降低73.9%。

高放大率柔性微夹钳的优化设计与分析

针对目前研究的微夹钳夹持行程较小,不能满足大尺寸微小物体(427.8μm及以上)操作需求,设计了一种同时具备高位移放大率、大夹持行程和平动夹持等特点的新型柔性微夹钳,分别采用杠杆机构、Scott-Russell机构和平行四边形机构串联实现三级放大,有效弥补了压电作动器有限输出位移的不足。其中第三级所采用的平行四边形放大机构隔绝了寄生旋转运动,实现了微夹钳末端纯粹平移运动。随后使用伪刚体法建立了微夹钳运动学、静力学和动力学模型,对关键参数进行了优化,通过有限元仿真验证了微夹钳理论模型的正确性。最后采用线切割技术制作微夹钳样机进行实验测试,结果表明,该微夹钳最大夹持行程可达882.3μm,放大率高达24.5倍。