面向任务的可控变胞机构系统动态可靠性研究

The task-oriented controllable metamorphic mechanism, not only has the characteristics of multifunctional phase change and multi-dof change of the metamorphic mechanism, but also has the properties of flexible output and mechanical- electrical integration of the controllable mechanisms, will have an important engineering application prospect. The dynamic reliability problem of such kind of novel mechanism is the important study contents in its engineering application. The palletizing robot in automatic production line is selected as engineering background in this project. The dynamic reliability problem of the task-oriented controllable metamorphic mechanism system based on coexistence of nonlinear random vibration, multiple failure modes, multiple uncertainties and fuzzy variables is studied. The time-varying nonlinear coupling dynamic analysis model which could comprehensive reflect the mechanical, electromagnetic, fault and dynamic state of the system is established using nonlinear dynamic theories. The nonlinear coupling vibration mechanism of the system with internal and external excitation (including fault excitation) is researched. Comprehensive combining with fuzzy reliability theory and non-probabilistic reliability theory, the mechanism system dynamic reliability model which considering nonlinear random vibration, multiple failure modes, multiple bounded uncertainties and fuzzy variables is established. The internal relationship among mechanism dynamic reliability and scale parameters, electromagnetic parameters, uncertain variables, fuzzy variables is explored. And the dynamic reliability parameters optimization is studied in the end. The work present this project provides a certain theoretical basis for the performance design of the task-oriented controllable metamorphic mechanism.

面向任务的可控变胞机构，既具有变胞机构多功能阶段变化、多自由度变化等特征，又具有可控机构输出柔性、机电融合的性能，具有重要的工程应用前景。此类新型机构系统的动态可靠性问题是其在工程应用中重要的研究内容。本项目以自动化生产线中码垛机器人为工程背景，研究基于非线性随机振动、多失效模式、多种不确定性和模糊性变量共存的面向任务的可控变胞机构系统动态可靠性问题。运用非线性动力学理论建立能全面反映机构系统机械、电磁、故障和动力学状态的时变非线性耦合动力学解析模型，探明机构系统在各种内外部激励（含故障激励）共同作用下的非线性振动机理，综合应用模糊可靠性理论和非概率可靠性理论，构建考虑非线性随机振动、多失效模式、多种有界不确定性和模糊性变量共存的系统可靠性模型，探究系统动态可靠性与尺度参数、电磁参数、不确定性变量和模糊变量之间的内在关系，并进行可靠性参数优化研究。为此类机构系统性能设计提供一定理论基础。

本项目以码垛机器人为工程应用背景，研究了面向任务的可控变胞机构动态可靠性相关问题。其主要研究内容包括：. （1）结合前期工作，进行可控变胞式码垛机器人机构综合研究，面向货物抓取和搬运工作任务，设计出了一种新型的能够实现各种灵活动作的含三个构态的可控变胞式码垛机器人，并完成了机器人物理样机设计与制作。. （2）基于样机设计模型，建立了机构系统的含概率随机变量和非概率区间变量多失效模式运动可靠性模型，并提出了一种基于变量状态空间的可靠性分析及优化方法。. （3）提出了基于动态响应区间的变胞机构构态变换失效的动态可靠性分析方法。考虑机构系统负载受力和构态变换内冲击的影响，运用有限元法建立了系统非线性动力学模型，将多种不确定变量引入到该动力学模型中，结合变量的状态空间，生成失效函数的动态响应区间，计算其构态变换的可靠度，并运用所提方法进行了实例分析。. （4）提出了变胞机构多种失效模式动态可靠性分析及优化的方法，将多种不确定变量引入系统非线性动力学模型，以该动力学模型的动态响应为新的不确定变量，结合该变量的状态空间得出可靠度，推导出了考虑共振时多失效模式动态可靠性分析的方法。在此基础上，提出了考虑灵敏度的可靠性优化方法。运用该分析方法解析了机器人刚度、强度和疲劳失效模式共存的可靠度，优化出机器人在可靠度满足要求的变量范围，将其计算结果与基于神经网络的蒙特卡洛法及遗传算法所得结果进行对比，验证了所提方法的准确性。. （5）进行了物理样机动态可靠性实验研究。运用正交设计法确定了分组试验方案，对物理样机动态可靠性进行了实验研究，验证了理论分析的正确性。. 通过项目实施，获得了解释面向任务的可控变胞机构动态可靠性的分析理论，为其运行及控制提供更加接近实际的依据。项目发表论文21篇，期中SCI收录7篇（Top期刊4篇），EI收录1篇（T1期刊），中文核心9篇，会议论文4篇。制作样机1台，授权发明专利10项，软件著作权2项，培养博士1名，硕士6名。