基于啄木鸟啄击动态调节机理的星球仿生采样机器人研究
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项目结题报告(全文)
1.随车液压机械臂变幅系统振动抑制方法研究
- 关键词：
- 液压系统;平衡阀;AMEsim;速度平滑处理;振动抑制
- 李应昊
- 指导老师：东北大学 刘金国
- 0年
- 学位论文
随着科学技术及经济的发展,大型液压机械臂以其独特的优势在运输装载、林业搬运、市政建设、救援防灾、建筑施工及航海试验中占有着不可替代的地位,市场需求及市场保有量在不断的增加。目前机械臂行业正向无人化、信息化发展,各国正在推进挖掘机、液压机械臂等大型工程机械的自动化改造,随着中国智造2025的提出及工业4.0的到来,我国也正积极的步入到研发队伍当中。但要想实现这个目标,挡在我们前进路上的障碍有很多。比如在液压机械臂中,机械臂末端振动的问题就是影响机械臂能否成功完成自动抓取任务的重点影响因素,同时如果机械臂振动剧烈时还会发生严重的安全事故。因此,解决液压机械臂的振动问题是很有必要的。本文针对随车液压机械臂在抓取、运载、卸载货物过程中的出现的振动问题。从问题的两个方面入手,一内一外的去解决这个问题。一内是指从液压机械臂的主要驱动方式一液压系统入手,从动力源上抑制、消除由压力不稳定而引起的液压缸在伸出、收回时出现的爬行、突跳等现象所导致的液压机械臂的振动问题。液压系统方面解决了机械臂液压缸运动时,特别是带载下降时液压缸活塞杆发生的的低频振动。但考虑到机械臂抓取货物（带载）时运动到卸载的指定位置的过程中,由于货物重量大,在急停、急起或运动速度不稳定时,会引起货物及机械臂整体的振动,影响整个系统的稳定性。因此,一个良好的速度及轨迹规划方法对于提升机械臂运动的稳定性来说是必要的。因此将数控机床中的速度平滑处理技术一加速度控制方法引入到机械臂的轨迹规划中,提出两阶段路程自适应加减速控制方法,从外部条件一运动速度轨迹规划来进一步解决液压机械臂振动问题。论文的主要研究内容包括:（1）通过查找和阅读大量国内外文献的基础上,概括总结了目前在大型液压机械臂等工程机械中出现的问题及液压机械臂振动相关问题的解决方式,并指出了部分现有方法中存在的问题。（2）首先,介绍了本文研究对象随车液压机械臂的几个系统组成,解释了变幅系统在整个随车液压机械臂液压系统中的重要地位,及含平衡阀变幅液压回路的稳定性分析。重点是对平衡阀阀体内部腔、道、孔进行数学建模,并带入问题工况回路进行动态特性分析,找出了影响系统稳定性的关键因素,为后续液压系统优化提供了有力的理论依据。（3）针对问题工况使用AMEsim软件对平衡阀、及平衡阀所在的变幅系统回路进行了参数化建模,对问题工况进行了仿真复现,后根据优化理论引入了液压阻尼网络,使用NLPQL方法对液压阻尼网络及平衡阀的相关参数进行了优化,使随车液压机械臂的变幅系统达到了性能最佳的参数配置。（4）针对随车液压机械臂进行D-H参数法的运动学建模,求出其运动学的正、逆解。提出两阶段路程自适应加减速控制方法对随车液压机械臂运动速度进行平滑处理、轨迹进行规划。带入MATLAB工具箱进行仿真验证。（5）根据本文研究主体随车液压机械臂,选取了相应的传感器,搭建了实验平台,展开了关于随车液压机械臂振动抑制的实验研究。对数据进行采集,对实验进行结果,并将实验结果与仿真结果进行对比,验证了上述优化、改进理论的可行性。
...2.柔性太阳翼支承结构建模及振动主动控制研究
- 关键词：
- 振动控制;柔性太阳翼;压电材料;模态截断
- 张朋伟
- 指导老师：东北大学 刘金国
- 0年
- 学位论文
随着人类对太空探测活动的增多,具有多种优点的柔性太阳翼成为了一个新的发展趋势。这种柔性太阳翼相比于刚性的航天器主体,具有跨度大、刚度低、阻尼小等特点,在航天器变轨调姿等工况下,会受瞬态冲击而产生难以自行衰减的振动,这种振动会影响太阳翼和航天器的精度,甚至造成航天器及搭载仪器的功能失效,因此对柔性太阳翼的振动控制进行研究十分的必要。本文以一种“梯子型”的柔性太阳翼支承结构为研究对象,利用粘贴在结构应变最大处的压电传感器和压电作动器对支承结构进行振动控制。要对此结构进行振动控制,首先要对其进行结构分析,根据系统特性建立系统的动力学模型,再根据所得到的动力学模型设计控制器,对系统的振动进行控制,最后设计并搭建实验平台,通过实验结果,验证模型的准确性和算法的有效性。本文主要围绕柔性太阳翼支承结构在变轨调姿时受到瞬态冲击并难以快速衰减的问题进行振动控制研究,论文的主要研究内容包括:（1）首先查阅相关文献,总结国内外压电智能材料、柔性结构建模、主动控制算法的研究现状,在此基础上提出柔性太阳翼支承结构的振动主动控制方案。（2）对柔性支承结构进行有限元分析。用HyperMesh软件建立柔性支承结构的有限元模型,对其进行模态分析得到频率和振型,并对其进行频响分析得到频率响应曲线;根据分析结果得出支承结构的特性,并截取模型的主模态对模型进行简化。（3）对压电柔性支承结构系统进行动力学建模。根据压电原理推导压电传感器和压电传感器的数学模型,用Euler-Bernoulli梁模型对柔性支承结构模型进行变形描述,并利用Hamilton原理建立振动主动控制系统的动力学模型,最后通过对模型的时域和频域仿真验证模型准确性和分析系统特性。（4）利用压电柔性支承结构系统的动力学模型进行控制算法仿真。分别设计PD控制、主动阻尼控制、线性二次型最优控制以及鲁棒H∞控制四种控制算法进行振动控制仿真并对控制结果进行对比分析,并结合实际工况对四种控制器进行分析评价。（5）加工实验平台的机械结构,采购搭建实验的硬件方案,并设计基于数字微控制器的软件代码部分,从而完成压电柔性支承结构系统的实验平台。基于上述仿真设计的PID控制器和鲁棒H∞控制器,分别对柔性支承结构系统进行振动控制实验,通过实验结果对比,从而验证动力学模型的准确性和控制算法的有效性。
...3.航天器非线性能量阱减振与能量采集一体化系统动力学设计
- 关键词：
- 复化平均法;非线性能量阱;鞍结分岔;霍普夫分岔;能量采集
- 孙耀辉
- 指导老师：上海大学 陈立群
- 0年
- 学位论文
本文是对航天器动力学模型,包括整星系统和卫星飞轮系统动力学模型,非线性减振与能量采集问题的研究。整星系统以整星非线性减振缩比实验中提出的带有非线性能量阱（Nonlinear energy sink,NES）的两自由度整星耦合系统的等效模型作为研究对象,运用复化平均法分析了耦合系统动力学特性,验证了非线性能量阱整星减振实验结果。提出了一种利用非线性能量阱实现飞轮系统减振的方法,将NES引入到由飞轮和简支板组成的飞轮系统以实现振动控制,研究了动量轮系统被动减振方法。建立了有限元模型,并用等效模型动力学方程对结果进行了验证。在该系统中,外激励由飞轮径向微振动产生的若干离散正弦谐波叠加而成,采用伽辽金法对板的控制方程进行离散,采用复化平均方法得到解析解,得到了系统的稳态响应,分析了系统的时域响应、幅频响应,并用数值结果验证了解析解。为了系统地分析所设计的NES的动力学特性,讨论了不同NES参数下系统的动力学行为,通过选取特定的参数得到鞍结分岔和霍普夫分岔。此外,为实现飞轮系统非线性能量阱减振与能量采集一体化,研究了在飞轮系统中引入一种包含非线性能量阱和超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material,GMM）能量采集器的多自由度动力学模型,该系统由微分代数方程组（Differential algebraic equations,DAEs）定义。采用解析方法复化平均法得到了系统的解析解,并通过与数值解对比,验证了解析结果的准确性。判断了GMM在系统中受到最大拉伸应力或最大压缩应力的大小,以确保超磁致伸缩材料采集器的正常工作。分析了系统能量转换关系,计算了系统的稳态响应,利用GMM的维拉里效应,得到了系统采集到的电能。分析了带有GMM的系统的非线性动力学特性,研究了系统的分岔行为。对于耦合的多自由度NES-GMM系统,讨论了系统的鞍节分岔。最后,通过改变NES立方刚度和阻尼等参数,对系统进一步参数讨论,分析了多自由度NES-GMM飞轮系统的减振效果和能量采集性能。
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