多自由度系统机械工程

多自由度系统机械工程（精选6篇）

多自由度系统机械工程 篇1

0 引 言

火车车轮是非常重要的火车零部件之一。由于其生产加工过程主要采用热加工成形工艺, 当轮坯在各个工序间传递时流水线需要满足环境温度高、传递负载大、传递速度快、定位精度高等要求。因此, 普通流水线的工件传递方式都不能很好地满足车轮热生产中各工序间的传递工作要求。

机械手是能够模仿人体肢体部分功能并允许对其进行自动控制, 使其按照预定要求输送工件或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。它具有动作灵活可控、定位准确可靠、负载驱动力高、环境适应力强等特点。目前, 机械手广泛应用于钢铁、海洋、石油、化工、物流搬运等生产自动化行业, 大大减轻了工人劳动强度和劳动条件, 提高了生产效率, 稳定了产品质量。

针对火车车轮各生产工序间轮坯传递的高负载、高温、高位置精度、高生产率等要求, 本研究将设计一种多自由度生产机械手。

1 车轮生产机械手性能要求

根据某一车轮生产工序环节要求, 要将除鳞机箱体内受料台上热轮坯 (已除过鳞) 夹住后移出、旋转, 然后移放到31.5 MN预成型压力机内下模台上。该过程机械手的具体设计要求如下:

(1) 工作循环时间。≤30 s;

(2) 提升负载。最大650 kg;

(3) 被夹持轮坯直径。Ф380 mm;

(4) 水平行程 (最大) 。2 000 mm;

(5) 工作距离 (最大) 。6 000 mm;

(6) 绕垂直轴旋转。≤270°;

(7) 轮坯高度。 (立放) 250 mm～750 mm;

(8) 轮坯温度。1 250 ℃左右;

(9) 定位精度。各轴均±1 mm。

2 机械手机械系统设计

根据生产实际的机械手性能要求, 在文献[1]的基础上, 笔者设计的机械手结构如图1所示。

1—底座;2—旋转驱动;3—框架;4—夹爪水平驱动;5—机械臂;6—平行四边形机架;7—机械爪;8—夹爪垂直驱动;9—地基;10—夹爪驱动

机械手具体主要由底座、机身框架、旋转驱动机构、夹爪水平驱动运动机构、夹爪垂直运动机构、机械臂、夹爪等组成。该机械手主要可以实现机身旋转、机械爪水平运动、机械夹爪垂直运动、夹紧运动等, 其特点如表1所示。

基础底架为焊接结构, 与混凝土浇铸在一起, 并通过4颗地脚螺栓与基础相连。合理的螺栓预紧扭矩参数保证基础承受足够的倾翻力矩。

机身旋转运动由工程车辆用大型4点接触球轴承 (转盘轴承) 实现。轴承的外圈带齿轮, 并固定在旋转机构的底座上, 底座与基础底架螺栓连接, 定扭矩预紧以保证其可以承受足够的倾翻力矩;内圈则固定在旋转座上, 由2个液压马达带动行星齿轮减速器来驱动行星齿轮机构, 实现机械手的正、反两方向旋转。2个齿轮装置彼此预紧, 保证运行平稳, 反向无冲击振动。液压马达采用大扭矩、低转速的径向柱塞马达, 保证机械手转动起动平稳有力, 制动灵敏可靠。

夹爪提升机构包括水平运动机构、垂直运动机构, 是一套专门设计的三组四连杆机构。该机构由液压缸驱动实现水平和垂直提升运动;平行四边形连杆机构保证夹爪始终处在水平位置以实现抓取工件。连杆机构经计算和校核, 可以可靠保证机构定位的准确度, 并且在连杆设计中合理布置了加强筋。连杆机构铰合点采用双列圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承与耐磨轴套组合, 既保证各节点转动灵活, 又有利于控制各轴承的径向和轴向间隙, 实现夹爪的准确定位。

夹爪由液压缸经臂杆机构驱动, 带动夹爪抓取轮坯的外缘。夹爪设计采用特殊耐热材料, 各节点采用耐磨耐热的特殊合金轴套。

3 机械手电气控制系统设计

机械手电气控制系统 (如图2所示) , 由两大功能模块组成:

(1) 上位控制系统。基于PID算法的运动控制器, 用来控制机械手的旋转及夹爪提升运动;

(2) 下位控制系统, 基于西门子PLC的高速过程控制器[2,3], 用于控制机械手的数字量I/O接口。

上位控制系统作为机械手运动控制的控制中枢, 接受界面输入的位置值或自动工作时事先确定的位置值, 控制机械手各关节执行相关的动作。电气控制系统主要功能有:

(1) 硬件接口采用高精度实时模拟量卡作为输出驱动, 以高速SSI接口板作为反馈信号的接口板。为防止控制信号在传递过程中衰减, 笔者设计了驱动板以增强信号。

(2) 针对机械手液压伺服驱动, 采用了新型PID算法, 以达到系统各动作启/停平稳、定位准确、响应快速的目的。

(3) 作为系统的监控界面, 实现机械手各工作状态, 包括位置、运行速度等的监控和故障诊断。

(4) 提供人机对话窗口。操作员可以在界面上输入机器人的工作流程、运行位置等信号, 以控制机器人的运动。

(5) 具有工作管理数据库, 包括工件参数、个数、工作信息等。

(6) 提供用户与上级系统的接口及上位机与下位机之间的通讯接口。

下位机主要完成机械手的具体动作, 控制功能包括手动运行时, 操作员输入命令的按钮;现场各检测传感器反馈的信号;系统操作面板上各指示灯的控制、液压泵的启/停等。此外, 下位机通过MPI通讯与上位机系统相连, 现场的状态及对现场的处理都通过MPI通讯与上位机系统沟通, 并与上位机系统一起完成机械手的整体控制。

机械手具体有手动、自动、设置3种工作模式:

(1) 手动模式。主轴由控制台上内置电位计的主开关控制, 为无级可调;其他所有动作用按钮操作, 速度恒定。

(2) 自动模式。位置控制轴 (C、X、Z) 可以自由编程, 也可以预先编制全部的运动程序。

(3) 设置模式。检查预先编制的程序, 用控制柜里单独的按钮单步操作程序, 轴速度也可设置。

4 机械手液压驱动系统设计

4.1 性能要求

机械手所有轴的动作及夹爪的开启/闭合动作皆采用液压驱动形式, 并采用电液比例控制方式。根据机器人的工作特性, 其液压系统的设计要求为:

(1) 机身回转 (C轴) 。最大角度270°, 转动速度最大60°/s, 转动定位精度±0.02°;

(2) 机械手水平驱动轴 (X轴) 。行程2 000 mm, 速度2 000 mm/s, 定位精度±1 mm;

(3) 机械手垂直驱动轴 (Z轴) 。行程1 000 mm, 速度500 mm/s, 定位精度±1 mm;

(4) 机械手夹爪。夹取范围300 mm～1 000 mm, 开/闭时间1.5 s。

4.2 系统设计

根据文献[4,5,6,7], 液压站采用力士乐有限公司生产的斜盘结构轴向柱塞变量泵来提供系统的主油路, 采用力士乐的内啮合齿轮泵提供制动油路。变量泵输出压力要由远程的定量溢流阀调节, 最大可达280 bar, 输出流量根据系统的负载压力实现无级调节。

机械手主要驱动部件的液压原理图如图3、图4所示。

如图3 (a) 所示, 机械手机身旋转驱动回路主要由2个大扭矩径向柱塞马达、电液比例阀、电控球阀、安全阀和单向阀组成。2个液压马达采用串联连接方式驱动机械手机身旋转。高压油液经由液压马达1做功后, 继续经由液压马达2做功, 然后回油箱。这样, 进入2个马达的流量相同, 2个马达的转速相同, 但因各马达的驱动压差不同, 每个马达的输出力矩不同。反方向旋转时, 只要进油顺序相反即可。

该驱动回路具有2个功能:①实现机械手机身的旋转驱动;②实现机械手机身的制动。当机械手机身处于旋转驱动时, 油液经比例阀、电控球阀驱动2个串联的液压马达。当机械手机身处于制动状态时, 切断供油的主油路, 换成制动油源供Ps给液压马达1, 2反方向供油, 使两马达产生相反旋转动力, 从而使机身稳定地停在控制点。

如图3 (b) 所示, 机械手垂直驱动回路主要由2个液压缸、电液比例阀、电控球阀、安全阀和单向阀组成。该驱动机构采用“一对二”的液压同步驱动方式, 控制2个液压缸实现机械手的垂直动作。同时, 油路还在机械手下降回路增加了单向阀, 以保证机械手垂直位置的稳定。

如图4 (a) 所示, 机械手水平驱动回路主要由液压缸、电液比例阀、电控球阀、安全阀和单向阀组成。该回路主要实现机械手的水平动作。

如图4 (b) 所示, 机械手夹爪驱动回路主要由液压缸、电液换向阀、单向节流阀、调压阀、液控单向阀和单向阀组成。该回路主要实现机械手夹爪的开/闭动作。夹爪夹持/松开工件的程度根据油液的油压 (压力继电器) 及油缸活塞 (内置式位移传感器) 的位置来判断。当夹持工件时, 系统检测活塞位置和油缸高压腔的油压, 两者满足条件后, 认为已夹住工件, 放松工件亦如此。夹持工件后, 采用液压锁 (由两个液控单向阀组成) 锁住夹爪, 防止因油路波动松开夹爪。

4.3 各回路伺服控制方案设计

机械手的机身旋转、垂直动作和水平动作伺服控制方案如图5所示。

r—相应机构的设定值;θ—机械手机身的转角;y—液压缸的位移输出;e—实际值于设定值的偏差;u—执行器控制量;q—电液比例阀的流量输出

5 结束语

针对火车车轮各生产工序间轮坯传递需要, 基于机械、液压和电气控制技术, 本研究设计了一种多自由度车轮生产机械手。采用电液比例控制技术, 笔者给出了机械手液压系统工作原理图以及相应的伺服控制方案。

基于本设计的机械手已经应用于火车车轮生产过程, 较好地解决了各生产工序间的工件传递问题。

参考文献

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多自由度系统机械工程 篇2

机械手是一种能模拟人的手臂动作，按照设定程序、轨迹和要求，代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体化自动装置。三自由度机械手又称3D机械人，能够实现三个自由度方向(水平、垂直和旋转)的抓取或放置物品，具有操作范围大，灵活性好，应用广泛的特点。

可编程控制器(PLC)是一种专门为工业应用而设计的进行数字运算操作的电子控制装置。由于其具有可靠性高，功能强，编程简单，人机交互界面友好等特性而广泛用于工业控制系统。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环执行元件。在非超载情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数目。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性误差而无累计误差的特点，使其在速度、定位等控制领域应用得非常广泛。

机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手。本文设计的三自由度机械手属于混合式机械手，它综合了电动式和气动式机械手的优点，既节省了行程开关和PLC的I／O端口，又达到了简便操作和精确定位的目的。三自由度机械手的系统结构与运动方式

三自由度机械手为圆柱坐标型。图1为机械手结构示意图，机械手手臂的左右运动(水平方向)由伸缩步进电机控制，上下运动(垂直方向)由升降步进电机控制，逆时针和顺时针旋转运动则由底盘直流电机的正反转控制。机械手的夹紧装置采用关节结构，其夹紧与松开用气压驱动，并由电磁阀控制。

机械手可以根据设定程序的动作将工件从A处搬运到B处。SQ1，SQ2，SQ5，SQ6为水平和垂直方向上的限位开关，SQ3，SQ4为原点位置和终点位置的光接近开关。

三自由度机械手控制系统设计

三自由度机械手系统设置了手动工作方式和自动工作方式。自动方式又分为自动回原点、单步、单周期、连续四种工作方式。

2．1 硬件设计

主控制系统选用三菱FX2N系列晶体管输出型PLC，步进电机驱动器选用SH-20403型模块。机械手的外部接线图如图2所示。

机械手在最上面、最右边，底盘转至光接近开关X3处且夹紧装置松开时称系统处于原点状态。X10为手动控制按钮，按下该按钮后，可以进行按键开关X20～X27对应的手动操作。X11～X15分别为自动方式中的回原点、单步、单周期和连续工作方式按钮，按下其中的某一个按钮，再按起动按钮X0，该工作方式的动作就会自动执行。步进电机只有在有脉冲信号(Y0)和方向信号(Y2或Y3)输入时才会转动，Y6，Y7选择将脉冲信号Y0送至哪个步进电机。Y5控制送气电磁阀，实现夹紧装置的夹紧与松开。Y10，Y11控制底盘直流电机的正反转。

2．2 软件设计

在选择单步、单周期和连续工作方式前，系统应当处于原点状态。如果不满足这一条件，可以选择回原点工作方式，该工作方式依次执行以下操作：向上运动至上限位x1→向右运动至右限位X2→顺时针转动至光接近开关X3→夹紧装置松开。

机械手自动工作方式的顺序功能图如图3所示。机械手手臂的运动速度由输入步进电机的脉冲频率控制，机械手下降及左行的距离由脉冲数控制，脉冲频率和脉冲数可以根据工业现场的实际情况在程序中设定，具有可重复操作性。

本系统采用的是PLC梯形图顺序编程的方法。其中以PLSY脉冲输出指令输出脉冲，用MOV指令设定脉冲个数，指定脉冲输出完后，指令执行完成标志M8029置1。由于PLSY指令只能使用一次，而系统中两个步进电机均需要脉冲输入，设计中采用两个外部继电器解决了该问题。将Y0输出的脉冲同时接至两个继电器动触点，两继电器的常开触点分别与两块步进电机驱动器的脉冲输入端相连，Y6，Y7接到两继电器的控制端，这样就可以通过Y6，Y7来控制步进电机的脉冲输入。

系统的MCGS组态环境

MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善，操作简便，可视性好，可维护性强的突出特点。图4为三自由度机械手系统工作时的MCGS组态环境界面，它包括主界面、手动工作方式界面和自动工作方式界面。结 语

多自由度系统机械工程 篇3

多自由度工业机器人在工业自动化生产领域中得到广泛应用, 虽然它们外形与结构差异很多, 但是它们都有智能的控制核心和精准灵活的空间运动控制能力, 能够实现单点运动控制、多点运动控制和曲线运动控制等多种运动控制方式, 精准、迅速和稳定是其突出的特点。可以将其应用于生产环境恶劣、高危和重复性行业中, 减轻劳动强度, 提高产品质量与产量。

本文所研究的多自由度工业机器人, 其机械结构为串联关节, 其轴线相互平行或垂直, 能够在空间内进行定位。机器人手臂采用伺服电机驱动, 设计了闭环驱动与检测电路, 并采用基于神经网络-PID复合控制技术;实现了多自由度机器人的高精度控制, 控制模式分为手动控制模式与智能语音控制模式, 运动状态分单点运动与多点运动;机器人运动控制系统具有自动保护装置, 可以实现更加智能的保护策略与控制, 通过PC机对运动路径进行规划, 也可以通过语音、示教装置实现智能控制。

1 机械传动结构设计

多自由度工业机器人应用于工业生产过程中, 一般对机械系统的设计要求较高, 机械传动结构的设计, 要具有结构坚固、抗挠性强、动行稳定、灵活和定位精准等特点, 本文采用工业中应用较多的六自由度工业机器人作为研究对象, 其机械结构采用串联关节形式, 分别为基座旋转、肩部抬起、肘部抬起、腕部抬起、腕部旋转、手指夹紧这六个自由度, 其外形3D视图如图1所示。每个关节采用伺服电机、减速器和若干结构件构成, 伺服电机作为系统运动过程的执行机构, 减速器提高机械手臂输出扭矩, 其传动比分别为1:10, 1:9, 1:6, 1:12, 1:1和1:1。

2 运动控制模型的建立

2.1 运动控制模型的建立

工业机器人一般都是以串级结构, 运动过程中的动态特性具有高度的非线性, 要想对其运动过程进行控制和优化, 首先要建立数学模型来准确描述其运动过程, 其次采用计算机作为辅助工具, 对运动过程建立的数学模型, 进行理论分析与仿真。

工业机器人其结构与机械零部件都相对比较复杂, 在运动过程中因承受负载, 使具关节的弹性和机械摩擦是很难以精确计算, 所以采用近似模型来分析, 六自由度工业机器人连杆坐标系如图2所示, 六自由度工业机器人连杆参数如表1所示。

其中a2=431.8mm, a3=20.32mm, d2=149.09mm, d4=433.07mm。

在推导其数学模型前, 提出以下假设:

1) 机器人的各段是理想刚体, 因而所有关节都是理想的, 不存在摩擦和间隙。

2) 相邻两连杆间只有一个自由度, 要么为完全旋转的, 要么是完全平移的。

2.2 模型的数学分析

在建立数学模型前, 根据图3六自由度机器人连杆坐标系所示, 为确定机械臂各连杆之间的位姿关系, 需要在每个连杆上固定一个坐标系, 利用D-H (Denavit and Hartenberg方法) 齐次变换矩阵方法, 描述六自由度机器人相邻连杆之间的空间坐标关系, 通过各连杆之间的位姿与坐标, 列写机器手臂齐次变换矩阵, 推导出六自由度机器人“末端手指坐标系”与“相对参考坐标系”之间关系, 建立起空间六自由度工业机器人的运动学方程。

同时根据图3和表1所示, 建立各关节之间的齐次坐标变换矩阵0T6, 1T6, 2T6, 3T6, 4T6, 5T6。六个矩阵的连乘积为机器人末端相对于基坐标系的位姿, 即:

为校核所得0T6的正确性, 计算1=90°, 2=0°, 3=-90°, 4===0°时手臂变换矩阵的值。计算结果为:

通过对比与图2所示情况完全一致。

3 控制系统硬件的设计

本系统以六自由度工业机器人为载体, 控制器采用分级结构设计思想, 第一级采用PC机作为控制器, 利用其运行的快速性, 对六自由度机器人的运动过程实现规划与控制, 通过原始数据的采集、分析与处理, 实现人机通信、任务分配和执行路径的优化等工作。第二级采用8位单片机作为伺服控制器, 由STC89S52单片机、信号放大电路和伺服电机组成, 通过PC总线与单片机之间数据通信, 实现六自由度机器人每一个伺服电机速度与位置双闭环控制系统。其控制系统硬件结构如图3所示。每个伺服运动关节安装有高精度数字电位器和倾角传感器, 实现机器人运动过程中每个关节位置信息实时反馈, 其输出信号作为伺服控制器的反馈信号。

4 复合运动控制算法的应用

本系统为了提高工业机器人在运动控制过程中的动态性能与稳态性能, 采用传统控制技术与现代控制技术相结合的方法, 即神经网络-PID复合控制技术, 使机器人在动态变化和稳态响应都能满足机器人伺服控制的速度和精度要求。

系统将控制器的输入与输出数据进行采集, 并通过PC机的运算与处理, 得到二者之间关系, 通过神经网络进行学习与优化, 系统可以迅速的复现或逼近原始期望的输出值。神经网络由一个3×20×1的三层前馈结构组成, 其网络结构简单且关系清楚, 神经元函数表达式为y=1/ (1=e-x) , 通过S形函数对神经元进行准确的描述。神经网络学习算法采用混合学习算法, 这样可以有效的避免一种算法的单一性与局限性。BP算法是一种常用的学习算法, 具有较快的收敛性, 本系统先用它对神经网络进行学习与训练, 由于此算法常用, 故在此不作详细论述。然后再采用趋化算法对神经网络进行学习与训练, 现对应用的趋化算法作如下描述:

1) 设置初值W0, W0是一个随机值, 其值取自于权重W所在范围[-0.1, 0.1]上。

2) 将系统取出的样本值输入神经网络, 通过PC机运算处理, 将其信号输出。

3) 求解J值, 通过计算可以求得目标函数J, 假设B1=J成立。

4) 得到随机向量, 其维数与权重W相同, 实现在[-1, +1]范围内零均值正态分布。

5) 令W=W+, <1, 是一实系数;

6) 求目标函数J的值, 令;

7) 如果<, 则令<, 转到 (4) ;如果≧, 转到 (4) 。

由此算法学习得到的权重矩阵是W0, 目标函数定义为是第i个样本的学习误差, N是样本的数量。

通过理论分析可知, 神经网络控制算法在系统动态变化过程中具快速性与准确性, 能非常迅速地复现或逼近系统给定运动轨迹, 当进入稳态后, 实际运动轨迹与目标路径存在较大误差, 无法消除。当系统进入稳态后, 在通过PID控制算法进行控制, 利用PID中积分作用, 消除系统进入稳态后所存在的稳态误差。单片机先输出期望值, 通过与直流电机同轴电位器检测到电压信号, 标志直流伺服电机的运行位置, 再通过A/D转换芯片将检测到的电位器信号送给单片机系统, 单片机系统通过软件程序比较测量值与期望值之差, 运用PID算法进行有效调整。下面介绍PID数字算法的实现方法。在连续模拟系统中PID控制规律为

其中, Kp为比例系数, Ti为积分时间常数, Td为微分时间常数, 为PID控制器的输入, 为PID控制器的输出。

由于计算机控制是一种采样控制, 它只能根据采样时刻的偏差来计算控制量, 因此要用计算机实现连续系统中的模拟PID控制规律, 就要对其进行离散化处理, 变成数字PID控制器。在采样周期T远小于信号变化周期时, 可作如下近似:

式中, T为采样周期;k为采样序号,

为了便于计算机编写程序, 将上述表达式整理为:

在编写程序时, 可以根据事先确定的比例系数、积分系数和微分系数, 计算出q0、q1、q2, 存入内存单元。

5 软件程序的设计

本系统软件程序设计主要分为两部分, 一部分是PC机软件程序设计部分, 一部分是伺服控制器软件程序设计部分。为了便于系统的扩展和增强程序的可移值性, 两部分程序都采用C语言编写, 其控制器结构如图4所示。

神经网络控制算法主要负责系统动态变化过程中位姿跟踪与响应速度, 系统运动过程中通过大量非线性函数描述, 这样就需要系统具有较快的数据处理与响应速度, 而PC机可以快速对采集数据进行处理与运算, 输出期望值与实时值之间的误差量, 通过其误差量变化迅速产生控制信号。伺服控制器根据其控制信号的动态变化, 产生不同PWM信号来驱动电机转动。伺服控制器采用STC89S52单片机, 通过时分复用技术实现多个伺服电机的不同状态运动控制与位置自锁功能。PC机软件流程如图5所示。

6 实验数据分析

为了验证神经网络控制算法与复合控制算法, 在多自由度工业机器人运动控制系统中的应用, 进行了大量实验研究, 实验过程中, 伺服控制器的控制周期为3ms, 插值周期为40ms。图6是只采用神经网络控制器的系统响应曲线, 可以看出, 只采用神经网络控制器进行控制, 多自由度工业机器人在动态变化过程中, 其目标曲线与跟踪曲线近似复合, 具有较快的响应速度与准确性。随着系统进入稳态后, 其目标曲线与跟踪曲线存在一定误差, 其误差值约为0.23°, 却不随进入稳态时间长短发生变化, 即形成稳态误差, 这是由于神经网络控制算法本身特点的原因, 虽然它可以学习系统输入与输出之间的映射关系, 也可以在暂态变化过程中得到较理想的复现, 但随着误差的不断减小, 当其值达到一定范围时, 系统就将进入稳态, 而无法对其误差进行修正。为了实现稳态后零误差的目标, 提高系统的控制精度, 在原有的神经网络控制算法基础上加上PID控制器, 在系统进入稳态后对系统进行修正, 利用PID控制算法中积分作用, 可以实现当系统进入稳态后, 目标曲线与跟踪曲线完全复合, 实现零误差, 无论是暂态过程还是稳态过程都满足设计要求, 其仿真曲线如图7所示。

通过对比分析可知, 采用神经网络-PID复合控制器后, 系统无论在跟踪阶段还是进入稳态响应, 都能满足机器人伺服控制的稳定性、快速性和高精度要求, 是一种十分理想的控制方法。

7 结束语

基于神经网络-PID复合控制技术在多自由度工业机器人运动控制系统中的应用研究, 控制器采用分级结构形式, 充分发挥PC机对非线性数据的处理速度, 同时采用STC89S52单片机作为伺服控制器, 使得该系统的数据采集和运算处理十分的方便简单。通过对多自由度工业机器人运动过程进行建模与分析, 发现通过神经网络控制算法, 只能得到系统运行过程中近似最优解, 而不可能得到真正的最优解。如果采用高端微控制器作为伺服控制器控制核心, 就可以将复合控制算法对数据的处理与运算过程放到伺服控制器中, 这样PC机就有更多时间进行系统运行的规划和运算, 控制器结构更加合理, 但同时也会提高系统成本。

摘要：多自由度工业机器人运动控制系统是非常典型的机电一体化系统, 它融合了机械、电子、传感器、计算机软硬件、控制、人工智能和造型技术等众多的先进技术。本文论述了一个多自由度工业机器人运动控制系统的控制方法与设计过程, 系统整体设计过程中采用分级化设计思想, 采用神经网络-PID复合控制方法, 优化系统动态跟踪过程, 减小系统稳态误差, 其控制技术具有一定的应用价值。

关键词：机器人,运动控制,复合控制,伺服,神经网络,PID

参考文献

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你有多自律，内心就有多自由 篇4

还记得末跨年的那晚，您许下的新年愿望是什么呢?您身边的见证者是谁?的时针已经滑过一半，有多少实现了?不妨留出一点时间，花上一点心，总结下的上半段，可以更好的看清下半段的方向与路标。

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我的2016上半年记事

2016

一月份

1、期末常规工作;

2、早起、有氧操、声乐知识学习;

3、重温夏朝~唐朝历史简史，重点为汉朝、唐朝(制作部分思维导图+家谱图);

4、西安8日游

2016

二月份

1、加入21天打卡小组(三个好习惯打卡)

2、自己做主厨，为家人烹饪年夜饭;

3、精品课程建设与新课程备课;

4、回老家与亲人团聚;

5、中美叙事创伤治疗第二期培训

2016

三月份

1、工作：每周14节课+1天心理咨询+备课

2、三个好习惯持续打卡(早起+学唱歌+运动);

3、听新加坡手账课，开始制作每日简单的手账(持续到现在);

4、关闭朋友圈(3月4日)

5、制定100天读33本书计划并实施(3月8日)

2016

四月份

1、工作：每周14节课+1天心理咨询+备课

2、三个好习惯持续打卡+手帐;

3、“100天33本书”跟进;

4、游泳一次1000米(放松与信任)

2016

五月份

1、工作：每周14节课+备课+学生毕业论文指导+心理咨询师考证授课(出差);

2、三个好习惯打卡满100天，奖励自己去泡汤;

3、检查衣柜、书柜、鞋柜等，整理房间，学习并实施“断舍离”

4、第一次独自长途驾驶，450公里，心旷神怡，感觉女司机其实还可以走得更远;

5、“100天33本书”跟进+手帐

2016

六月份

1、工作：每周14节+备课+毕业论文指导+实习生座谈会(出差);

2、三个好习惯持续打卡+手帐;

3、“100天33本书”顺利完成(6月15日);

4、到某强戒所给干警们开讲座《行动力改变生活》

5、和小伙伴们组队，成立“100本书精读8人小组”

6、第一次有了公众号，尝试发原创文

上半年总结

收获

1、情绪管理能力在增强;

2、阅读扩大了视野，更加热爱这个世界与生活;

3、安全感、成就感与职业认同感增强;

4、身体变好，深度睡眠增加;

不足

1、理财能力还是非常差，败家女一枚~~吼吼;

(改进：每月存款，请老公监督，每日记账，生活中不断反思“断舍离”)

2、精力管理能力还欠缺;(改进：学习+实践)

3、原计划的唱歌教程仅完成了三分之一;(改进：下半年补上)

总结上半年

追梦下半年

2016下半年微梦想清单

1、参加一个28天时间管理训练营，认真完成作业;

2、坚持21天打卡，以后每轮打卡重点要不一样(完成6轮);

3、每日快走16000步及以上

(一个月完成21天);

4、唱歌教程145节学习完;

5、每月游泳一次;

6、每周拿出1~2篇公众号原创文进行分享;

7、“1年100本书计划”完成一半;

8、周末为家人做美食;

9、早起早睡

10、追1~2部有趣的电视剧;

11、10部有趣的电影(学习写影评)

12、每周彻底清空一天(不看书、不学习、不码字、不早起早睡);

13、只要有机会，就去接触有趣的人和做有趣的事。

14、坚持做手帐和时间记录

15、尽职尽责完成好本职工作

不知道年末的时候，自己能提交多少作业，相信突发事件这个熊孩子也会不断闯入到计划中进行捣乱，把它们看作是来检验自己问题解决能力的试金石吧，总之，因上努力，果上随缘。

所做的一切，不过是在模仿这世界上的一群人而已，他们没有面孔，他们又有许多面孔，他们并不遥远，他们也许就在你我中间，他们是谁?

他们是世界上的少数人，他们懂得自律，懂得爱，他们从不为自己设限，他们努力让自己的心智变得成熟，他们敢于直面问题，他们有着坚定的信念，他们也会彷徨、也会流泪，但是他们不会忘记行走的步伐，他们是对自己负责任的人，他们是生活的勇者，他们改变着这个世界，正是因为他们的存在，这个世界才变得精彩而可爱。我愿意，努力着，加入到这群可爱的群体中来。

我们向往自由，却往往错误的向外追寻，殊不知，自由的最大法宝就在我们内心——自律。

一个人如果无法做到精神自由，肉体自由又有何意义，而一个肉体不自由的人却完全可以实现精神上的自由，看看那位奥地利心理学家——维克多·弗兰克，身陷集中营，他的父母兄妹及新婚妻子都被纳粹迫害致死，每天在饥饿、寒冷、拷打中过着生死未知的日子，即便是这样，他居然还找到了生命的意义，找到了内心的自由。

一个人，什么都可以被剥夺，除了一样东西，那就是内心的.自由——面对不可逆转的境遇，选择自己的态度与方式。

——维克多。弗兰克

我永远相信：一个人有多自律，他的内心就可以活出多少自由。当我感到不自由时，我会温柔的告诉自己：“亲，你可能还没有足够自律。”下半年的每个日子里，会一直提醒自己，会为了内心的自由一直努力。

我的誓言

拒绝盲目无知的生活，拒绝做勤奋的懒人，拒绝过自捆手脚的人生，让反思、自律、思考与实践为自己的生活点灯，活到淋漓，简单有料做自己。

多自由度系统机械工程 篇5

关键词：电动童车,自由轮,拉力法,斜坡法

目前, 新产品、新款式的电动童车层出不穷, 受到了儿童的喜爱。随着童车生产规模的扩大, 其安全性能也应不断提高, 因为童车的质量安全关系着儿童的健康和安全。

电动童车的检测项目很多, 包括其外观尺寸、轮廓间隙、自由轮制动性能等机械与物理性能和特定化学元素成分的检验。其中, 自由轮制动性能尤为关键。由于电动童车有一定的运行速度, 儿童在使用它时, 如果遇到障碍物或者危险, 必须要采取紧急措施, 以保证他们的人身安全。鉴于此, 要求电动童车的制动性能要满足各种突发状况。电动童车自由轮装置制动性能作为一项不可缺少的检测项目, 国家标准《玩具安全第2 部分:机械与物理性能》 (GB 6675.2—2014) 对有自由轮装置的电动童车的制动性能作出了具体要求。根据国家玩具安全标准的要求, 结合童车检测的实际情况, 深入探讨了拉力法和斜坡法的优缺点, 并综合这两种方法提出了电动童车自由轮多方法检测系统。

1 电动童车自由轮

自由轮是一种特殊的结合元件, 它的结合和分离是自动进行的, 而采用自由轮换档可以简化自动变速器中的电子控制系统。自由轮的结构型式分为滚珠式和楔块式, 其具有单向承受扭矩、单向旋转、自动结合和自动分离的特点。

国家标准GB 6675.2—2014 中5.16 规定:电动童车自由轮测试方法分为拉力法和斜坡法。拉力法是将电动童车水平放置, 并按照相关要求加载适当的负载, 在铺有P60 氧化铝纸的平面上以 (2±0.2) m/s的速度匀速拖拉玩具, 以测试最大的拉力, 如图1 所示。如果测得的最大拉力F≥ (m+25) ×1.7 (36 个月及以下儿童适用的电动童车) 或F≥ (m+50) ×1.7 (37 个月以上儿童适用的电动童车) , 则认为该电动童车没有自由轮装置。斜坡法是将加载了50 kg砝码的电动童车放置在铺有P60 氧化铝的10°斜面上, 如果童车加速下滑, 则认为该电动童车有自由轮装置, 如图2 所示。

2 自由轮综合检测系统

这2 种检测方法的使用率较高。斜坡法主要采用的是定性的方法, 它能够在短时间内检测童车的自由轮项目, 只需要检测斜坡平台和砝码等检测设备。但是, 这种检测方法存在一些缺点: (1) 虽然有适合的传感器能够检测电动童车的下行速度, 但是, 运行情况不定, 所以, 无法准确判断电动童车是否有自由轮装置; (2) 在检测过程中, 频繁搬运50 kg的砝码会消耗检测人员的体力; (3) 斜坡检测平台长度有限, 定性精度不够; (4) 斜坡检测平台占用的场地过大。

拉力法能够在足够长度的跑道上检测到童车运行速度为2 m/s时的最大力数值, 从而判断其是否有自由轮装置。与斜坡法相比, 这种方法能够有效判断玩具电动童车自由轮装置的具体使用情况。但是, 这种测试方法也存在一些缺点: (1) 测试跑道上的氧化铝砂纸与检测的童车摩擦受力不均会出现褶皱变形的情况, 进而影响试验精度。 (2) 当铝砂纸移动到阻力不均的地方时, 就很难控制电动童车被拖拽的行驶方向, 进而在长跑道测试中就无法精确控制测试童车的移动方向, 出现了测试童车偏离跑道的情况。由此可知, 采用这种检测方法具有较大的不确定性。 (3) 50 kg的砝码在跑道两端频繁搬运过于繁复。针对平时试验过程中发现的问题, 设计了新的自由轮综合检测系统, 如图3 所示。

新的童车自由轮综合检测系统是由简易行车吊机、斜坡检测平台测试跑道等组成的。在原有的检测跑道上架设一个大型斜坡平台, 不仅可以节省实验室空间, 还可以共用2 种方法的通用设备。该系统将斜坡平台加长至6 m, 并在斜坡两侧增加了传感器, 以提高感应精度, 保证试验的准确性。如果需要进行电动童车自由轮斜坡测试, 可以先利用综合检测系统的软件平台设置斜坡模式。当检测系统斜坡电机自动落下时, 软件系统自动检测斜坡角度 (10°) 亮起, 绿色指示灯表示检测系统运行正常。这时, 检测人员可以将待检的电动童车放置在检测平台上, 通过控制简易行车吊机将测试砝码吊装到待检童车的相应位置并将其固定。在试验过程中, 利用斜坡两侧的传感器可以将信号实时传输到软件中。通过延长斜坡长度和增加传感器, 能够使检测软件更加精确地模拟电动童车在整个斜坡上的运动轨迹和速度, 从而提供更加直观的检测结果。通过加固跑道砂纸和增加跑道两侧的防护栏, 不仅能够提高跑道的试验安全, 还能提供更加可靠的检测结果。

3 结论

通过对现有电动童车自由轮检测方法的分析和研究, 提出了一套完整、科学、便捷的自由轮多方法检测系统, 有效减轻了检验人员的劳动强度, 保证了检测数据的科学性和准确性。

参考文献

[1]北京中轻联认证中心, 好孩子儿童用品有限公司.GB 6675.1—2014玩具安全第1部分:基本规范[S].北京:中国标准出版社, 2016.

多自由度系统机械工程 篇6

近年来, 随着计算机技术的飞速发展, 普通的二位显示系统已经不能满足人们在生活、工作、学习、娱乐中的需求, 而日渐成熟的三维立体显示技术越来越受到人们的关注并得到了广泛应用。现如今裸眼立体显示技术已经在医疗[1,2]、广告[7]、娱乐[8]及视频通话[3,4,5]等方面有了实际应用。然而, 若要将地理信息系统这种庞大数据在裸眼立体系统上显示出来并对其进行实时查阅, 以往的裸眼立体显示系统便显得并不是很合适。本文介绍了一种通过大尺寸、多视点、可实时处理的裸眼立体显示系统来展示GIS信息的方法[6,11], 它可以帮助观众更高效的获取3D GIS信息, 增强观众对空间位置的感受。本文重点讲述了如何对自由立体图像进行同步处理以及在多视点自由立体显示屏上对多个图形进行校准的方法。

1 系统的硬件配置

如图1.1 所示, 整个投影系统由PC系统, 投影仪阵列和多视点自由立体显示屏构成。[8]PC系统由24台PC机构成, 其中1 台为主机剩余23 台为从机共同控制24 台投影仪。投影仪阵列是有24 台投影仪组成4*6 的投影仪矩阵。本系统中的PC机的CPU均为Intel (R) Core (TM) I5-4460, RAM容量为8GB, 网络总带宽为1Gbps , 投影仪所采用的分辨率均为1280*800。[3]

2 多视点图像的同步

2.1 多视点图像的渲染

通过不同的投影仪投出不同的图像形成多视点图像。通过3D引擎 (如Open GL或Direct X) 渲染出的图像由虚拟摄像机的视图矩阵和投影矩阵决定。如图所示。3.3, 代表观众的左眼和右眼的位置。虚拟世界中的虚拟摄像机左视区应符合现实世界中的视域。右视区拟摄像机的视域在虚拟世界应该与现实世界中的视景体。根据文献[8], 虚拟摄像头的设置必须满足公式 (2.1.1) :

O代表眼睛的位置。

假设点O到平面ABCD的距离是Ds;对称视锥O'A'B'C'D'的视图矩阵是Mv透视矩阵是Mp, 视点变换矩阵是Mvp, 虚拟世界中点p的世界坐标是 (x, y, z, 1) 。在由虚拟相机渲染出来的二维图像O'A'B'C'D'中点p的坐标是p•Mv•Mp•Mvp。

由以上条件, 我们得出点p在Pl' A' B 'C ' D' 中的坐标可由如下公式导出:

通过公式 (2.1.2) 可知通过对称视锥体可以推出不对称视锥体, 新视点的试图矩阵是, 透视矩阵是。这样一来我们可以根据水平视差和全视差的不同情况利用公式 (2.1.2) 进行多视点虚拟相机的设置。本文采用的系统中有24个视区, 通过局域网每个视区的虚拟相机共用DCBAO'''''虚拟相机视图矩阵。当三维地理信息系统的场景发生变化时, 系统的主机将虚拟摄像机的视图矩阵和透视矩阵发送给每个从机。

由于24 台投影仪24 台不同的电脑控制, 所以每个视点的图像渲染所需的时间可能会不同。如果不同视点图像渲染所用的时间过长, 那么我们的双眼就会观察到不同时刻的图像。为了防止这种情况出现, 我们需要考虑在对静态数据和动态数据进行处理时可能出现的不同步的情况。

本系统采用osg Earth三维地形引擎这一包含节点树结构的引擎来处理三维GIS系统, 如图2.1, 包含一个根节点和两个子节点mapnode和mobilegroupnod e。mapenode管理GIS栅格数据和矢量数据等静态数据。mobilegroupnode管理地理空间中移动的对象, 例如飞机、汽车等等。

2.2 栅格数据与矢量数据的同步

多细节层次 (level of detail, LOD) 技术已被广泛应用于三维GIS栅格数据和矢量数据的快速加载。首先, 栅格数据依照必应地图 (Bing Map) 公约转换为瓦片地图格式。其次, PC客户端使用osg Earth引擎加载瓦片地图渲染自身视点图像。由于虚拟相机位置的不同, 可能会产生不同程度栅格数据, 不过因为同一地区的栅格数据的不同只是分辨率不同, 所以从观察者的角度很难看出不同视角上不同缩放级别的差异。

基于以上分析, 对于栅格数据和矢量数据等静态数据, 我们只需考虑虚拟相机的同步。因为模型视图矩阵和投影矩阵的数据大小是256 字节, 所以由网络传输引起的延迟时间可以被忽略。假设三维GIS系统显示时的帧率是60Hz, 那么所需的传送速率为15360字节每秒, 仅仅占了系统的网络带宽1Gbps的0.01%。因此, 并不需要考虑网络的时间同步机制。PC客户端只需要读取最新共享的试图矩阵和投影矩阵并来渲染三维GIS场景的新一帧就可以了。如图2.2.2。

2.3 三维GIS系统中移动模型的同步

三维GIS中的空间的每一点都有其当地的坐标系和相对于世界标系的变换矩阵MGL。X轴指向东;Y轴指向北;Z轴平行于地球中心与坐标系原点的连线。假设在三维地理信息系统中有许多飞机在不同位置飞行。如图所示, 图2.3.1 每架飞机都有自己的局部坐标系kmn , 相对于当地的地理坐标系的变换矩阵为MBL。螺旋桨局部坐标系pqr相对于飞机局部坐标系的变换矩阵为MSL。因此, 变换矩阵形式的螺旋桨局部坐标系到世界坐标系是MGL*MBL*MSL, 如图2.3.2。在osg Eart中, 每个变换矩阵对应一个矩阵变换节点。

这样以来, 在系统中利用主机向从机发送所有的当前视锥体下需要调整的变换矩阵和它的节点名称, 变换矩阵按照名字来依照折半插入法进行排序。PC端就可以通过搜索节点的名字来设置相应的变换矩阵节点。

3 显示校正

本系统通过24 个投影仪从不同位置将不同视点的图像进行投影来获得视差图, 但是由于投影仪摆放位置的不同, 会因为透视效果使图像发生扭曲。如果不对图像进行校正, 最多只能得到一个正确的图像, 投影形成的均是不规则四边形。如图3.1

现在将两个投影仪都视作一个点, 那么在XOY平面内, 投影仪A投出的点 (x, y) 到投影仪B投出的点 (X, Y) 的变换关系为,

有图也可看出, 可通过四对点, (A, A’) , (B, B’) , (C, C’) , (D, D’) , 对投影仪B进行校正。这里通过GLSL脚本在GPU中对图像进行校准, 先由Open GL渲染三维GIS数据的帧缓存对象 (FBO) , 再由GPU读取FBO作为纹理校正, 最后输出最终得到的图像到屏幕, 见图3.2。

4 结论

就目前所采取的方法而言, 同步上并不会出现可以被人眼可以观察到的问题。但是在图形校正上由于投影阵列距离显示屏为4m, 屏幕尺寸为2m*1.25m, 而投影仪的分辨率仅为1280*800, 导致每像素点在屏幕上线度为1.5mm, 并不能忽略不计且并不能整除投影仪之间的距离, 所以目前的校正并不是完美效果仍会产生垂直视差。这也是下一步需要解决的问题。

摘要：为了达成显示动态三维地理信息系统 (Geographic Information System, GIS) 场景的立体视差和运动视差的目的。本文讲述了如何利用投影仪阵列构成的多视点自由立体投影显示系统, 重点阐述了三维GIS信息的在PC端的同步传输以及投影图像的校正。并以此方法构建的系统在展示GIS信息时得到了较好的裸眼立体视觉体验。

关键词：多视点自由立体显示系统,GIS信息同步,图像校正

参考文献

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[3]陈龙龙, 管声启, 马柯, 等.大型集团企业视频会议系统设计与应用[J].软件, 2014, 35 (5) :40-44.

[4]刘兴华, 奚宏生.视频业务的分布式协同接入控制建模[J].新型工业化, 2013, 3 (1) :68-78.

[5]张阿静, 温向明.基于MPEG4视频流的Qo E质量预测模型[J].新型工业化, 2011, 1 (11) :11-16.

[6]Tianqi Zhao (赵天奇) , Xinzhu Sang (桑新柱) , Xunbo Yu (于迅博) , Xin Gao (高鑫) , Peng Wang (王鹏) , Yangdong Liu (刘养东) , Songlin Xie (谢松林) , Binbin Yan (颜玢玢) , Chongxiu Yu (余重秀) , and Daxiong Xu (徐大雄) .High dense views auto-stereoscopic three-dimensional display based on frontal projection with LLA and diffused screen[J].CHIN OPT LETT, 2015, 13 (1) :011001-011001.DOI:http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?uri=col-13-1-011001.

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[8]姚李俊.裸眼3D技术在动画中的应用研究[J].品牌, 2014, (12) :p.143-144.Lijun Yao, Research on the application of 3D technology in animation[J], Brand, 2014, (12) :p.143-144.

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