针对多品种、变批量的高复杂度智能制造场景,频繁更换刀具、夹具及工装等情况造成的实际生产调度和理论生产调度脱节的问题,定义了两个参量,即机器准备时间(Machine Preparation Duration,MPD)和机器加工系数(Machine Processing Coefficient,MPC),以最小化最大完工时间、机器总时间负荷和机器总准备时间为目标函数,建立了引入MPC参数的多品种、变批量智能车间调度数学模型;设计了融合非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ)和免疫遗传算法(Immune Genetic Algorithm,IGA)的非支配免疫遗传算法(Non-dominated Sorting Immune Genetic Algorithm-Ⅱ,NSIGA-Ⅱ)来求解此类问题。该算法采用多种方式进行初始化,提出了一种综合考虑非支配排序和目标函数值大小的得分策略来筛选优秀个体,同时为了提高种群的多样性,引入种群分层和自适应交叉突变的策略。最后,通过多组对比实验验证了该算法的有效性以及在探索最优解时具有稳定性好、解质量高等优点。

针对以最小化最大完工时间为目标的柔性作业车间不一致分批调度问题(Flexible Job shop Batch Scheduling Problem with Variable Sublots,FJBSP-VS),提出了一种结合禁忌搜索的改进麻雀搜索算法(Tabu Search-Sparrow Search Algorithm,TS-SSA),对工件分批、机器选择与子批排序进行集成优化。首先,设计了一种用于表示工件分批、机器选择信息与子批排序信息的双层编码方式与一种结合无延迟调度的解码方式,该解码方式可有效提高机器利用率;在保留发现者-加入者结构的基础上对麻雀搜索算法进行离散化改进,通过引入交叉算子使其可以用于离散问题的求解;其次,改进加入者所选择的靠近对象,增强算法全局搜索能力;再次,将禁忌搜索与改进麻雀搜索算法相结合,增强算法的局部搜索能力;最后,使用27个已有公开算例进行试验,验证了TS-SSA的有效性和优越性。

针对云制造服务组合存在的能力需求匹配度低、多约束条件下组合优化困难及寻优效率低下等问题,给出了一种基于改进蒲公英优化(Dandelion Optimizer,DO)算法的服务组合优化方法。在分析了云制造能力供应商以及服务质量属性的基础上,采用层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)将各个属性进行归一化求和,使用一种基于改进DO算法的服务组合方法对服务组合问题进行求解,得到最优的服务组合方案。在DO算法改进方面,通过引入Tent混沌映射来提高种群粒子的多样性,采用反向学习机制以及引入计数器和变异的概念提高了算法收敛速度,避免了算法过早收敛。最后通过仿真实验与经典蒲公英优化算法以及服务组合相关文献中提出的改进粒子群算法、改进遗传算法、改进北极熊算法等算法对比分析,验证了所提算法在云制造服务组合优化中高效性和稳定性。

气门芯工件乱序堆叠时,机械臂难以自动抓取上层裸露的气门芯,通过处理双目相机采集的点云信息,提出了一种基于表面曲率加权拟合的点云分割算法。首先,进行滤波下采样,并利用随机采样一致性(Random Sample Consensus,RANSAC)算法去除冗余的平面点云,通过聚类去除噪声点;然后,为解决气门芯边缘点粘连的问题,利用最小二乘法拟合局部平面,并根据表面曲率的加权平均得到动态曲率阈值,去除相邻气门芯之间的粘连点;最后,通过主成分分析算法计算气门芯的有向包围盒(Oriented Bounding Box,OBB)底面积,进行区间检验以实现迭代欧氏距离阈值,通过聚类准确分割出待抓取的气门芯。实验结果表明,气门芯点云分割的准确率在95 %以上;求取分割出气门芯质心点并结合直线拟合算法确定抓取位姿;Dobot机械臂通过与双目相机的手眼标定能够准确识别并抓取气门芯。

随着智能制造、智能仓储等行业的发展,无人叉车受到了越来越广泛的关注,但是目前针对无人叉车的研究工作主要集中于定位、感知和规划等技术,针对路径跟踪控制方面的研究尚不够成熟。目前无人叉车路径跟踪控制方面主要存在两方面的问题,一方面,现有控制方法均未考虑转向轮转角约束、转向轮转角速度约束等系统约束;另一方面,现有研究工作通常未采用货叉前端中点作为控制目标。为解决这些问题,首先,基于非完整约束原理建立了以货叉前端中点为控制点的无人叉车运动学模型;然后,在此基础上设计了基于非线性模型预测控制(Nonlinear Model Predictive Control,NMPC)的路径跟踪控制算法;最后,通过MATLAB软件进行了仿真测试并与Stanley控制等控制方法进行了比较。结果表明,提出的以货叉前端中点为控制点的NMPC路径跟踪控制器可以实现较高精度的路径跟踪,在不同工况的仿真结果中,横向误差幅值的最大值为0.054 9 m,收敛值不超过0.014 7 m,相比以前桥中点为控制点的NMPC路径跟踪控制器、Stanley控制器等,可以将横向误差幅值的最大值减小75.88 %以上,收敛值减小88.34 %以上;此外,所提出的控制器的实时性可以满足低速控制系统需求,每个控制周期内的计算时间不超过20 ms,小于控制周期的40 %。

针对当前扑翼飞行器生产调试效率低、缺乏有效监控方式等问题,研究并设计了扑翼飞行器数字孪生交互系统。首先,分析了扑翼飞行器数字孪生交互系统五维模型架构,并在此基础上设计了虚拟仿真系统、监测系统及控制系统;然后,虚拟仿真系统基于Webots虚拟仿真平台构建物理实体的孪生体模型并进行飞行姿态、飞行动作的仿真调试,从而提高现场调试效率,监测系统及控制系统均通过上位机控制系统实现孪生体模型和物理实体之间数据的虚实实时双向闭环交互,从而实现扑翼飞行器飞行过程的可视化监控;最后,通过姿态可视化试验和飞行试验验证了扑翼飞行器数字孪生交互系统的有效性和可行性。扑翼飞行器数字孪生交互系统为进一步丰富扑翼飞行器数字孪生系统功能提供了新方案。

针对磨抛机器人在动态环境下对期望接触力难以精确跟踪和控制的问题,基于自适应阻抗控制模型,研究了一种PD-模糊自适应力跟踪阻抗控制方法。使用模糊控制对自适应阻抗控制中的更新率进行动态调整,并在阻抗控制前增加PD控制来调节系统的调整时间,以实现动态环境下对期望接触力的准确跟踪和控制,保证磨抛加工质量。通过设置6种环境参数变化的仿真,将所研究的PD-模糊自适应阻抗控制器与传统阻抗控制器、自适应阻抗控制器和模糊自适应阻抗控制器进行对比,结果表明所研究的PD-模糊自适应阻抗控制器可在保持碰撞接触阶段较短的调整时间和较小的超调量的同时,保持平稳接触阶段较小的稳态误差,与其他3种控制器相比,可更好地实现接触力跟踪。

当前全驱动的灵巧手存在驱动电机过多、抓取力不足等问题;而高度欠驱动的灵巧手又存在独立控制能力低、灵巧性不足等问题。针对当前问题设计了一款基于交叉四连杆的四指灵巧手,将该结构类比成人的手指,实现了近端指节关节和远端指节关节之间的耦合运动;提出与传统偏航-俯仰型不同的翻滚-俯仰型掌指关节结构,应用于除拇指外的三指,实现了手指的屈伸与转动,可丰富灵巧手的抓取姿态,提升其灵巧性;拇指在掌指关节采用侧摆结构,实现与其余三指的配合。在MATLAB软件中建立了手指的运动学模型并求得手指的末端工作空间,通过ADAMS软件对灵巧手进行了仿真,通过分析手指的运动特性,验证了灵巧手结构的合理性。通过样机实验证明了四指灵巧手具有良好的抓取性能与较高的实用价值。

磁驱动是小型软体机器人的重要驱动方式之一,目前大部分磁驱动软体机器人采用外部磁场,爬坡能力较弱。针对此问题,提出一种内置电磁驱动的蠕虫状软体机器人,它可以在多种角度的斜面上爬行。实验采用了20 mm×6 mm×11 mm、22 mm×6 mm×11 mm两种型号的软体机器人,验证铜线圈吸引与排斥磁铁的强度大小对爬行稳定性的影响。实验得出中间距离大的软体机器人爬行稳定性与爬坡能力更强,其可在最大40°斜坡上,实现超过1 mm/s的速度爬行;中间距离小的软体机器人爬行速度较快,但爬坡能力与稳定性较弱。介绍了软体机器人的最大坡度影响因素和运动动作原理,探讨了硅胶厚度、驱动装置的选择以及电磁触角的运动分析,并在无外部磁场环境下进行了多种斜面角度的爬行实验。

为了提高老年人和失能人群的身心健康,减轻家庭负担,设计了一款基于TRIZ的两相出行康复外骨骼,能够实现立式行走和坐式轮椅等主要功能。利用TRIZ创新工具解决了康复外骨骼坐立转换问题,并通过ANSYS软件对负载情况下康复外骨骼样机进行静力学分析。为深入探究康复外骨骼在动态环境中的性能表现,对康复外骨骼进行运动学和动力学建模,建立虚拟样机模型并导入ADAMS软件对其进行运动仿真,通过对仿真数据进行分析,验证了设计方案的可行性,为下一步实物样机制作提供了理论依据。

路径规划是移动机器人的研究热点,直接关系到移动效率和准确性。针对现有研究尚未有效解决动态障碍物环境下转折点数冗余及避障难等问题,提出了一种基于B样条的改进RRT^*与动态窗口法(Dynamic Window Approach,DWA)融合的移动机器人路径规划算法。首先采用节点修剪策略来除去路径中的冗余节点;然后运用B样条曲线来优化修剪后的路径,缩短路径长度,减小转弯角,使路径更平滑;最后融合改进DWA算法,确保在全局最优的情况下实时避开未知障碍物。通过MATLAB仿真和基于ROS系统实验验证,结果表明提出的改进RRT^*与DWA融合算法规划路径成本小、运行时间短,可与障碍物保持安全距离,并在避开动态障碍物同时规划出最优路径。

针对在高速行驶、低附着路面和大曲率等危险工况下,车辆轨迹跟踪精度低、容易发生失稳的问题,以四轮独立驱动(Four-Wheel Independently Drive,4WID)智能车辆作为研究对象,提出了一种考虑道路曲率和车辆稳定性的4WID智能车辆轨迹跟踪控制策略。首先,根据道路曲率实时计算车辆行驶速度,采用模型预测控制算法求解前轮转角,以跟踪期望路径;然后,基于积分滑模控制设计了附加横摆力矩控制器,使用双曲正切函数减小系统抖振,并根据车辆前后轴载荷进行力矩分配,控制目标是在考虑控制执行器约束和车辆稳定性约束的情况下,更加精确稳定地跟踪期望的轨迹;最后,在双移线工况和大曲率工况下进行了仿真实验,结果表明,所设计的控制策略能够有效提高轨迹跟踪精度,降低质心侧偏角峰值和横摆角速度峰值,并保证车辆的横摆稳定性和乘坐舒适性。

针对风电增速箱圆锥滚子轴承(FD-306/1025/YB)的弹流脂润滑(EHL)状态展开研究。利用旋转流变仪对Mobil SHC 460 WT润滑脂在不同温度下的剪切应力和黏度随剪切速率的变化进行测试,并结合非牛顿流体Herschel-Bulkley模型,拟合出对应的流变参数;基于有限差分法建立大功率风电增速箱圆锥滚子轴承线接触弹流脂润滑模型,对其在不同转速、载荷及温度工况下的油膜厚度及润滑状态进行分析。结果表明,随着剪切速率的增加和温度的上升,润滑脂的黏度降低,具有明显的剪切稀化和黏温特性;轴承转速的提高、载荷的减小和温度的降低,都会使滚子-滚道间整体膜厚增加,膜厚比增大,润滑状态得到改善,高转速工况下轴承膜厚比受温度影响的程度更大,润滑状态变化得更显著。

为了研究激光熔覆增材再制造的Inconel 718合金在干式端铣过程中的可加工性,采用激光熔覆技术在27SiMn合金钢表面涂覆Inconel 718合金。使用正交试验方法进行干式端铣试验,并研究铣削工艺参数对激光熔覆层切削力及表面质量的影响规律。研究结果显示,铣削深度对切削力的影响最为显著,主轴转速、进给速度和铣削深度的增大都会导致切削力的增加。在各个铣削工艺参数中,进给速度对表面粗糙度的影响最为显著,其次是主轴转速,而铣削深度的影响最小。当主轴转速为2 000 r/min、进给速度为150 mm/min和铣削深度为0.5 mm时,表面粗糙度值最低。此外,铣削深度对表面显微硬度的影响最为显著。这些发现对激光熔覆涂层机械加工过程中的工艺参数选择具有指导和参考意义。

针对传统工业检测中测量套筒尺寸效率低、精度低等问题,提出一种基于机器视觉的套筒尺寸测量方法。首先,通过Halcon软件校准后的CMOS相机采集套筒图像,再经过双边滤波和阈值分割预处理;然后,采用改进的Canny算法结合Otsu算法获取的最佳分割阈值,获得边缘像素级坐标;再然后使用改进的Zernike 矩算法对边缘进行精确定位;最后,采用最小二乘法拟合内、外圆求解出套筒内、外径。实验结果表明,该方法平均测量精度小于0.02 mm,相对未改进算法在时间上减少了28.3 %,测量精度和效率满足企业快速、精确的检测要求。

针对常见的光学投影式测长机在使用过程中因读数难、难读准以及光学系统老化等造成精度下降的问题,提出了一种将传统人眼瞄刻线的光学系统升级改造为光栅数显系统的测长机技术方案。基于光栅测长技术,设计加装大理石导轨和光栅测量系统,实现长度量高精度数字化测量。通过选用高精度光栅式测微传感器,保证测头高精度对零和测量过程中被测件触力大小一致性。开发了基于可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)的专用光栅数显表,实现对光栅测量系统和测微传感器信号的高速实时处理。编写了误差修正补偿算法模块、数据处理显示模块、数据库管理模块以及辅助功能控制模块等,形成了测长机上位机测量专用软件。试验结果表明,经升级改造后的测长机,其分辨力可达0.1 μm,在2 m测长范围内,示值误差为±(0.5+L/300) μm,与原有光学投影式测长机相比,精度指标进一步提高,并且读数简单、示值稳定性好,满足计量器具的计量检定要求。综上所述,该方法具有较高的应用与推广价值。

为了解决船舶调姿机构结构误差引起的船舶总段对接精度下降问题,以4-PPPS并联机构为研究对象,首先采用闭环矢量法建立包含32个误差项的动平台位姿误差模型,然后具体分析其中便于测量的16种结构误差参数对动平台位姿精度的影响规律。误差分析结果表明,沿轨道方向移动副长度误差对4-PPPS并联机构运动精度影响最大,在4条支链均存在误差的情况下,Z轴方向动平台位姿误差达到1.5 mm。同时,为克服传统误差参数辨识难度较大的问题,提出一种基于鲸鱼优化算法(Whale Optimization Algorithm,WOA)优化径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络的补偿方法。该方法将位姿误差转化为驱动关节长度误差,通过神经网络建立动平台理论位姿与驱动关节长度误差的预测模型,并采用鲸鱼优化算法优化网络参数,最终获得驱动关节长度补偿量,用来修正动平台的实际位姿并完成误差补偿。经过仿真验证,该方法能够有效提升4-PPPS并联机构的运动精度,动平台在X、Y、Z轴方向的误差均值分别由0.169、0.188、0.159 mm降至0.002、0.001、0.003 mm,误差最大值分别由0.208、0.231、0.195 mm降至0.012、0.001、0.019 mm,平均位姿精度提高了85.07 %,补偿效果显著。

针对永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)转速控制系统中存在的鲁棒性和抗干扰能力差的问题,提出了一种改进分数阶自抗扰控制器(Improved Fractional Order Active Disturbance Rejection Controller,IFOADRC),代替传统非线性自抗扰控制器。首先,设计了新的非线性函数,应用于非线性分数阶扩张状态观测器(Nonlinear Fractional Order Extended State Observer,NFOESO)中,采用线性分数阶扩张状态观测器(Linear Fractional Order Extended State Observer,LFOESO)对系统总扰动进行初步估计;然后,通过设计的权重函数将该估计结果引入到非线性分数阶扩张状态观测器中,建立了改进分数阶自抗扰控制器,并且通过理论分析了该控制策略的收敛性和抗干扰能力;最后,进行了Simulink仿真和links-RT半实物实验验证。实验结果表明,所提控制策略相比传统非线性自抗扰控制器(Nonlinear Active Disturbance Rejection Controller,NLADRC)和级联扩张状态观测器的自抗扰控制器(Cascaded Linear Active Disturbance Rejection Controller,CLADRC),当电机受到速度阶跃时,调节时间在加速时分别减少了25.6 %和17.6 %,在减速时分别减少了10.7 %和5.6 %;当电机受到负载扰动时,调节时间在突加负载时分别减少了51.9 %和24.2 %,在突减负载时分别减少了41.5 %和22.6 %;验证了所提控制策略能有效增强永磁同步电机的鲁棒性和抗干扰能力。