在核工业生产过程中,核废料桶的吊装和运输工作至关重要.针对核废料桶的远距离扶正和吊装运输操作问题,提出了一种适应放射环境的扶正关节液压机械臂设计方案,实现对核废料桶的远距离扶正和吊装.结合虚拟样机,对所设计的扶正关节液压机械臂进行仿真实验,对机械臂的关节性能进行分析.结果表明在仿真实验运动规划下,设计的扶正关节液压机械臂底座与大臂、大臂与小臂直线液压缸的推力分别为347.05 kN和453.61 kN,满足核废料桶的扶正和吊装要求,对保障核安全生产具有重要价值.

为解决人工组装液压支架存在安全隐患和工作效率低的问题,通过分析实现液压支架自动化组装需要解决的技术难点,设计了一种采用工业机械臂、自动化行车、深度传感相机和深度视觉算法的液压支架自动化组装系统。实践效果表明,该系统能够在安全生产的前提下自动完成液压支架的组装工作,降低了安全风险、提高了工作效率,具有较高的实际应用价值。

针对机械臂关节空间轨迹的时间最优规划问题,提出了基于膜计算-粒子群算法的轨迹规划方法。建立了机械臂关节空间轨迹规划模型,使用3次样条曲线构造了轨迹基元函数。提出了膜计算-粒子群算法,通过设计处理器处理膜传递的信息,通过算法淘汰机制、吞并机制和信息交流机制实现膜间合作,膜内根据不同算法原理各自进行速度和位置更新,最终通过膜计算将多种粒子群算法优势进行融合。经测试函数测试,相比于其他粒子群算法,膜计算-粒子群算法具有最高的搜索精度和最快的收敛速度;同时使用多作用力粒子群算法和膜计算-粒子群算法进行轨迹规划,膜计算-粒子群算法规划的机械臂耗时比另一算法减少了23.99%,充分证明了膜计算-粒子群算法在轨迹规划中的优越性。

轨迹跟踪是机械臂控制的最终目的,针对机械臂仿真控制领域文本语言编程复杂、效率低等问题,构建了一种基于LabVIEW的四轴机械臂仿真控制平台,以Dobot机械臂为研究对象,使用Lagrange分析法构建动力学方程,并在LabVIEW中搭建了其仿真模型;还针对PID控制应用于非线性、强耦合、多变量的机器人系统时,其控制效果不理想的问题,设计了一种基于LabVIEW的模糊PID机械臂控制策略.通过LabVIEW仿真实验表明,该方法提高了控制精度,降低了系统的超调量和调节时间,大大缩短了开发周期.

针对六轴串联机械臂结构强度问题,提出了一种基于多目标遗传算法(MOGA)的机械臂尺寸参数优化方法。对机械臂关键部件进行了静力学分析,得到了关键部件的应力和变形云图,基于静力学分析结果对关键部件的尺寸参数进行了优化。由优化结果得到了各输入参数与输出参数之间的响应曲面及敏感度,明确了各输入参数与输出参数之间的关系。运用多目标遗传算法进行求解计算,得到了一组可以达到预期目标的最优设计点。分析结果表明,优化后的机械臂其形变量与最大应力均有所下降,验证了多目标遗传算法参数优化方法的有效性。

以六自由度串联机械臂为优化设计对象,从材料轻量化和结构轻量化两个方面进行轻量化设计。首先,在极限工况下分别对以铝合金和3D打印塑胶为材料的机械臂进行探索性拓扑优化,并基于结果对比分析,选择3D打印塑胶材料作为机械臂的设计材料;然后,在满足刚度与强度要求的条件下,针对两种极限工况依次采用尺寸优化、拓扑优化方法对以3D打印塑胶为设计材料的机械臂进行轻量化设计;最后对其进行几何重构和仿真验证。结果表明轻量化设计后的机械臂满足刚度、强度要求,质量减轻26.5%,实现了轻量化目标。

针对现有机器人机械臂轨迹修正方法控制精度低、算法过于复杂的不足,提出了基于直线插补模型的轨迹智能修正方法。在笛卡尔空间内构建机械臂的动力学模型,准确描述了末端执行器、关节和连杆的运动变化关系,在偏离轨迹与理想轨迹之间利用长度足够小的直线段进行曲线拟合,纠正末端执行器的轨迹偏差,使拟合后的轨迹接近于理论轨迹。实验结果表明,提出的修正方法最大弓高误差值不超过0.01 mm,算法的复杂度低,机械臂关节的旋转角度和连杆位移的偏差值更小。

结合3D打印技术,对小型机械臂进行控制系统设计,开发出一种多自由度机械臂3D打印机。首先对机械臂进行正逆运动学求解,然后对路径进行插值计算,最后做轨迹规划,使机械臂实现3D打印功能。该研究提高了打印机运动平稳性和打印精度,打印姿态更为灵活,打印产品具有多样性。

针对机电产品设计阶段提出了一种机电产品设计阶段数字孪生模型演化方法,将数字孪生技术映射在机电产品的设计过程划分为三域概念方案域、结构设计域和参数分析域。各域中都提出了相应的评价方法解决设计过程的合理性,最后制造物理样机,为运行维护阶段数字孪生奠定基础。该方法在水龙头剥皮夹持机械臂的设计过程得到了验证,证明其合理性和有效性,为产品研发过程中应用数字孪生技术提供了新的思路。

基于最优控制模拟思想提出了柔性机械的两点边值逆动力学方法，应用柔性机械臂原两种动力学模型可实现机械臂的点－点位置运动或轨迹追踪，同时显著降低或消除了结构柔性对其精确确定位的影响。数值仿真和实验结果同理论分析完全一致。