Analysis and Control of Novel Deflection-Type PM Multi-DOF Actuator

This paper mainly presents a PM multi-DOF actuator for robot in-wheels drive applications and its control method. The torque model is established based on the finite-element model of the single pair poles in 3D finite element method software. Due to the special structure of the actuator,the Euler angles are adopted for deriving the kinematics and dynamic model. To reduce the effects of uncertainties of modeling error,nonlinear friction and external disturbances in the system,an approximation of neural network adaptive control method is applied to the actuator. The computation and simulation results show that the proposed analysis and control method can effectively derive the characteristics and improve the motion performance,which provides the primary theoretical guide for the configuration design,optimization and control research of multi-DOF deflection type actuators.

球形电动机及其研究发展综述

球形电动机是一种具有球体结构的新型电动机,可单机实现在三维空间内的多自由度运动,且适合应用于人工智能及姿态控制系统动量球等相关领域,得到了各国学者的广泛关注与研究。球形电动机拓展了转子运动范围,是电动机行业未来的一个重要发展方向。与传统单自由度电动机相比,球形电动机结构较为复杂,且运动模式较为特殊,因此,对球形电动机的分析研究有别于传统单自由度电动机。该文整理各国学者对球形电动机的研究工作,总结归纳球形电动机的概念及发展历程,对比研究球形电动机不同的工作原理、拓扑结构及设计优化方法,探讨球形电动机的性能、转子位置检测方法、控制方法、转子支撑方式、应用场合及关键技术,最后总结球形电动机的未来发展趋势。

多自由度振荡浮子装置波浪爬升特性试验与数值模拟

增加振荡浮子式波浪能发电装置的自由度可以拓宽设备的捕获频带,从而有效地提高其捕获效率,但这也意味着浮子与波浪间的作用过程更加复杂,产生的波浪爬升等非线性现象不容忽视,严重时甚至会发生越浪从而降低浮子装置的使用寿命和效率.本文开展了规则波作用下多自由度浮子迎浪侧波浪爬升特性的物理模型试验,对单自由度运动和多自由度耦合运动的浮子上的波浪爬高进行了比较,以分析在有无动力输出装置(power take-off,PTO)阻尼条件下自由度之间的相互作用效应,并使用数值模拟分析耦合运动浮子周围的流场分布.结果显示,增加自由度可以导致没有PTO阻尼的浮子上的波浪爬高显著降低,有效降低越浪风险.对于有PTO阻尼的多自由度振荡浮子,增加垂荡方向上的PTO阻尼力对波浪爬升有很大影响.三自由度耦合运动浮子能更好地利用波浪能并具有更好的安全性.

基于多源异构信息融合的采摘机械臂驱动控制研究

[目的]为了准确感知采摘机械臂的作业信息,提高驱动控制精度,需要对多自由度采摘机械臂的驱动控制模块进行优化设计。[方法]本研究将采摘机械臂各关节自由度、运动学以及动力学原理融合到设备结构中,完成了多自由度采摘机械臂等效模型的构建。基于构建的等效模型,确定多源传感器设备的安装位置,利用内部安装的传感器设备对机械臂的实时运行信息进行采集,获取位姿信息。同时,根据传感器的空间位置及其相互之间的作用进行信息分群,得出信息级融合结果,以此作为特征级信息融合结果的输入值,提取多源异构信息特征,并通过特征匹配完成融合操作,由此得出任意时刻采摘机械臂运行参数的检测结果。[结果]结合给定的采摘任务,计算采摘机械臂所需的驱动动力以及位姿数据,通过与当前数据的比对确定驱动控制量,利用装设的驱动控制器生成可执行的控制指令,完成驱动控制。与2种对照方法进行的对比试验显示,基于多源异构信息融合的驱动控制方法采摘机械臂的位置控制误差降低约25 mm,姿态角与驱动力控制误差分别降低了0.22°和6.32 mm,得出的控制数据更精准。[结论]由于多源异构信息融合技术能够发挥多种数据的优势,获取到更全面、更准确的位姿信息和控制数据,能够实现对目标果实的精准采摘,从而降低了采摘工作对果实的伤害,具有明显的对比优势和应用价值。

舰用雷达阵面在不同冲击环境下的响应分析

通过理论计算和有限元仿真,研究舰用雷达阵面在不同冲击环境下的响应。文中将冲击载荷作用下舰用雷达阵面的受力模型简化为基础激励的多自由度系统,通过对受力模型的边界模态进行虚拟约束的方法计算了不同冲击环境下的响应。结果表明:舰用雷达阵面响应基本不受冲击谱参数中谱加速度变化的影响,而谱位移和谱速度对舰用雷达阵面响应影响较大。分析结果可为冲击环境下舰用雷达阵面的响应分析和影响评估提供参考。

多自由度工业机器人末端执行器碰撞位置预测研究

目前,工业机器人在多个不同领域得到十分广泛的应用,并发挥重要作用。在实际应用中,工业机器人末端执行器可能与其它物体或人员发生碰撞。多自由度工业机器人末端执行器的碰撞位置预测,也成为工业机器人力觉感知的重要内容,是确保其应用效果的重要手段。文章提出一种基于机械臂腕力传感器的新型触点位置检测方法,该方法针对多组数据结果应用最小误差法进行筛选和搜索,最终得出最优解,从而确定触点的位置。通过研究发现,这种方法通过约束条件计算触点的位置,在碰撞位置感知上具有更高的精度和收敛性,且具有较高的精度和可靠性,能在各种机械臂姿态下保持优良的性能。

DMANet:针对空间非合作目标位姿估计的密集多尺度注意力网络

利用单目相机对空间非合作目标进行准确的姿态估计对于空间碎片清除、自主交会和其他在轨服务至关重要。然而,单目姿态估计方法缺乏深度信息,导致尺度不确定性问题,大大降低了其精度和实时性。本文首先提出了一种多尺度注意块(Multi-scale attention block, MAB),从输入图像中提取复杂的高维语义特征。其次,基于MAB模块,提出了空间非合作目标6自由度位姿估计的密集多尺度注意网络(Dense multi-scale attention network, DMANet),该网络由平面位置估计、深度位置估计和姿态估计3个分支组成,通过引入基于欧拉角的软分类方法,将位姿回归问题表述为经典分类问题。此外,设计了空间非合作目标模型,并利用Coppeliasim构建了姿态估计数据集。最后,与其他最先进的方法相比,在SPEED+、URSO数据集和本文数据集上全面评估了所提出的方法。实验结果表明,该方法具有较好的姿态估计精度。

中间支撑梁式动力吸振器的设计与实验研究

通过在中间支撑梁端部布置质量块设计多自由度动力吸振器,首先分析所设计的动力吸振器的理论模型。然后通过优化算法推导得到多自由度动力吸振器的最优频率比、最优阻尼比。最后以单自由度、2自由度和四自由度动力吸振器为例,通过实验验证所设计的多自由度动力吸振器。理论分析与实验结果表明:对于相同质量的吸振器,四自由度动力吸振器的振动控制效果明显优于单自由度及2自由度动力吸振器,并且其可控制频带更宽。

多机协调吊运系统综合多影响因子的位置稳定性评价方法

针对多机协调吊运系统由于欠约束特性导致的静平衡稳定性难以评价的问题,本文提出了综合多影响因子的位置稳定性评价方法。与传统方法不同,该方法将被吊运物中有运动任务需求的自由度定义为稳定自由度,其余自由度定义为欠稳定自由度,并将姿态自由度为稳定自由度时,影响稳定性的因素归结为位置自由度和各柔索拉力的差异2种因素;通过对这2种因素的量化,得到位置自由度影响因子、拉力大小影响因子和拉力均匀性影响因子,以3个影响因子的加权和作为每个位置点的稳定性评价指标。通过这种稳定性评价方法对系统的静平衡稳定位置工作空间进行了定义,并计算了系统不同稳定性裕度的静平衡稳定位置工作空间,为系统的可行轨迹规划和控制奠定了基础。

多自由度机器人抓取末端振动自动稳健性控制技术

针对多自由度机器人抓取末端控制精度低、稳定性差、控制延迟长的问题,提出抓取末端振动自动稳健性控制技术。建立符合惯性力项、重力项、离心力项与哥式力项的动力学模型,分析多自由度机器人的动力学变量;选择自适应增益比例、位置加权因子、速度加权因子作为优化目标参数,补偿位置阻抗环境刚度与位置估算的参数误差;设计稳健的多自由度机器人抓取末端自动控制方法。实验结果表明:所提方法的抓取末端振动抑制效果较佳,完成控制指令时间短,控制精度好。

多自由度压电纳米定位平台控制技术研究现状

介绍了压电驱动的工作原理、压电材料的非线性特性以及压电定位平台的直接驱动方式,分别阐述了串联、并联和串并联三种驱动方案的多自由度压电定位平台的结构设计以及解耦优化方式。重点分析了多自由度纳米压电定位平台控制系统需要解决的压电驱动器的非线性特性、交叉耦合等问题,提出应根据多自由度压电定位平台不同的结构和运动形式选定合适的控制策略。最后总结了适用于多自由度压电定位平台的控制算法,有助于研究者了解压电纳米定位平台领域的最新进展,为压电纳米定位平台控制技术研究提供借鉴。

汽车电动助力转向系统负载阻力矩特性多自由度建模仿真分析

为了研究由道路、轮胎以及车辆等多元素组成的非线性复杂系统中电动助力转向系统(EPS)受力状态,从EPS系统齿轮齿条转向机构入手,结合统一轮胎模型、车辆七自由度动力学模型以及前轮定位参数,建立基于七自由度整车转向模型的EPS系统负载阻力矩模型,并通过MATLAB/Simulink软件进行多自由度建模仿真,最后进行双移线仿真实验和转向瞬态响应仿真实验。实验结果表明:与三自由度整车转向模型相比,该模型能更好地反映在不同车速下,汽车EPS系统负载阻力矩随转向盘转角的变化特性。

三相对称绕组的多自由度磁性致动器设计

针对基于机械弹簧的多自由度致动器存在系统复杂、运动精度低的问题,设计了一种采用铁氧体永磁体的新型谐振致动器。首先,所提致动器的基本结构主要包括1个定子、1个动子和1个三相对称绕组,其中动子部分包括6个永磁铁氧体和1个动铁芯;其次,对磁阻特性和推力特性进行了理论研究;然后,在动力学模型分析的基础上,提出了无需位置传感器的运动估计方法;最后,通过有限元分析验证了所提致动器的特性,并与样机上的测量结果进行了比较。研究结果表明:样机的磁阻力误差和力常数误差分别仅为6%和2%,且在无机械弹簧的条件下产生相对于移动距离的对中力,从而可以在X-Y平面上实现各种可控的高精度谐振运动。所提致动器有效降低了系统成本和复杂性,可用于需要精确受控运动的机械领域,在微型机器人、医疗设备和光学仪器等。

多自由度AT行星齿轮机构结构综合和同构判别

由于4~5自由度的AT行星齿轮机构方案数量规模过于庞大,造成优选时间过长。为了能胜任大规模AT结构方案的综合,提出基于字符串编码的构件综合和同构判别方法。根据行星齿轮机构各构件的类型特征定义构件的字符,再将AT结构转化为字符串;通过分析行星排字符串中制动构件和互连构件的特征,并利用组合原理设计合理的字符串综合算法,分别实现了对行星齿轮机构和AT结构的同构判别。在对AT结构进行综合的过程中,分别剔除不满足构件约束条件的行星齿轮机构字符串和AT结构字符串。通过5个算例验证了该方法的正确性和高效性。

基于多尺度特征融合和抓取质量评估的抓取生成方法

在非结构化场景中,物体的6-Dof抓取是智能服务机器人领域的一项极具挑战性的任务。在该场景中,机器人需要应对不同大小和形状的物体以及环境噪声等因素的干扰,因此难以生成准确的抓取姿态。针对此问题本文提出一种基于多尺度特征融合和抓取质量评估的6-Dof抓取姿态生成方法。首先,提出了自适应半径查询法,解决真实环境中点云采样不均匀导致的关键点查询异常的问题;其次设计了一种将多尺度特征和抓取质量评估融合的抓取生成网络,可以生成丰富的6-Dof抓取域;最后,定义了一种抓取质量评估方法,包含力闭合分数、接触面平整度、棱边分析和质心分数,并将这些标准应用在标准数据集上生成新的抓取置信分数标签,同时将这些标准融入抓取生成网络中。实验结果表明所述的方法与当前较为先进的方法FGC-GraspNet相比平均精度提升了5.9%,单物体抓取成功率提升了5.8%,多物体场景的抓取成功率提升了1.1%。综上所述,本文所提出的方法具备有效性和可行性,在单物体场景和多物体场景中具有较好的适应性。

多自由度坐姿人体上体系统动力学建模与振动特性研究

针对动态环境汽车人机界面设计分析的需要,依据多体动力学原理建立了坐姿人体上体系统4自由度的垂直振动模型,并推导了描述人体位移、速度和加速度三种响应的STH,DPM,AM理论表达式.依据已有的人体振动试验数据,运用系统辨识方法,进行振动模型的动力学参数识别,并将所识别出的参数进行人体振动特性计算.验证研究表明,所计算出的人体振动特性数据与人体振动特性测试数据有较高的吻合度.以汽车人机界面设计为实例,通过模型研究了人-车(人-椅)系统人体和座椅的振动特征.所得结果对合理选取汽车座椅参数,提高汽车人机界面设计的宜人性和合理性有一定的指导意义.

基于三平移并联机构的三维减振平台建模与仿真

为实现多自由度减振,构建了以3-PUU并联机构为主体结构的三平移减振平台;分析了3-PUU并联机构运动特性,推导了杆件及动平台质心的速度表达式。采用Lagrange方程建立了系统动力学方程,根据一般粘性阻尼系统的模态分析法,推导了求解固有振型的公式;分别在X、Z方向上施加一定的瞬时冲击力,观察动平台的运动情况,并采用ADAMS软件验证系统的固有频率。结果表明,该减振系统的加速度在2s内迅速归零,具有明显的减振效果。

航天器微低重力模拟及试验技术

针对国内外不同类型的微低重力模拟机理、应用方法及特点进行了介绍。综述了基于气悬浮技术的多自由度模拟器的关键技术以及组合应用方法;对各种复杂航天器(包括大型空间机械臂)在微低重力模拟环境下进行的展开、编队、抓捕对接、分离以及在轨服务等典型试验应用进行了系统介绍,同时总结了针对宇航员模拟训练的微低重力环境的实现手段及其特点。最后,展望了微低重力模拟及试验技术的发展前景,并提出了多项亟待突破的关键技术。

毫米级纳米几何特征尺寸计量标准装置多自由度激光干涉计量系统

准确的纳米几何结构测量是提高集成电路、微纳机电系统和微纳技术产品的质量和性能的关键技术支撑,为了得到准确一致的测量结果,必须实现纳米尺度的量值溯源并建立量值的传递体系。为满足纳米几何结构计量从纳米尺度到毫米尺度的跨尺度计量需求,实验室研制了毫米级纳米几何特征尺寸计量标准装置,集成于该装置中的多自由度激光干涉计量系统,实现了测量结果向米定义SI单位的直接溯源。实验结果表明该系统能够在毫米级的测量范围内,实现纳米级的测量准确度,分辨力达到了亚纳米量级。

基于动态面的机械臂轨迹跟踪神经网络自适应算法

针对由直流电机驱动的多自由度机械臂轨迹跟踪系统,提出一种基于动态面反演的RBF神经网络自适应算法,该算法利用动态面反演控制技术,一方面解决系统的非匹配不确定性问题,另一方面有效地解决系统的"计算膨胀"问题,并通过RBF神经网络对系统中的外界扰动进行逼近,实现神经网络自适应反演控制,最后通过Lyapunov稳定性理论证明所得闭环系统的半全局一致最终有界。仿真结果证实该算法的有效性。