海上横向补给系统多体动力学建模与仿真分析

海上横向补给是目前舰船补给的主要方式,通过接收船与发送船之间架设的恒张力高架索进行货物转运.本文利用多体动力学理论建立了海上横向补给系统的动力学模型.该系统由舰船、货物、滑轮以及高架索组成,对舰船、货物和滑轮采用刚体假设,对高架索采用几何精确梁理论进行建模.基于赫兹理论建立了滑轮与高架索之间的接触模型.为提升计算效率,针对恒张力索的特点提出了一种简化的力元模型,并通过与精确模型的对比验证了该简化模型的准确性.利用简化模型,对复杂海况下的补给作业进行了全过程动力学仿真,分析了船舶运动、补给距离、张紧力对转运过程的影响.结果表明在海况条件恶劣、补给距离长、张紧力过小时,无法保证转运过程安全作业.     

基于极大似然估计的工业机器人腕部6维力传感器在线标定

针对工业机器人实时监测腕部工具工作受力情况的需求,提出了基于极大似然估计的在线标定算法.首先,在机器人末端工具的活动负载部分安装6维力传感器,并实时采集力与力矩数据以及机器人工具运动轨迹.然后,考虑到不同运行速度下运动振动的干扰,根据系统力学关系求解工具重心坐标、机器人安装倾角、力传感器零点以及负载重力.最后,在10 mm/s～1000 mm/s不同速度条件下进行实验,分析求解结果的一致性,并与最小二乘法进行对比.对比结果显示基于极大似然估计可以把工具重心平均标准差从0.67 mm降到0.23 mm,力零点标准差从0.73 N降到0.27 N,力矩零点标准差从0.29 N·m降到0.05 N·m.实验结果表明极大似然估计能有效抵抗机器人高速运动引起的干扰,可以应用于机器人高速运动情况下的实时在线零点标定.     

绳驱动柔性上肢外骨骼机器人设计与控制

为了提高上肢外骨骼机器人的拟人化程度及关节柔性,设计了一种由串联弹性驱动器和鲍登线驱动的4自由度柔性上肢外骨骼机器人.首先,设计一种六连杆双平行四边形机构,建立肩关节虚拟转动中心,满足人体肩部3自由度运动需求.然后,设计基于串联弹性驱动器和鲍登线的驱动模块,将驱动器和机器人关节分离,降低结构的复杂度,减轻关节质量,实现力矩/位置信息的反馈.最后,构建机器人运动学及动力学模型,设计关节阻抗控制器并对样机肘关节进行阻抗控制实验.由实验结果可知,刚度系数在0.5 N·m/(°)～1.5 N·m/(°)时,力矩跟踪均方根为0.33 N·m;阻尼系数在0.001 N·m·s/(°)～0.01 N·m·s/(°)时,力矩跟踪均方根为0.57 N·m.实验结果表明,调节阻抗控制器中的阻抗系数能够改变关节的刚度和阻尼特性,从而提高人机连接的柔顺性.因此该机器人可以满足康复训练需求.     

微型腿式胶囊机器人的设计与分析

针对目前主动式胶囊机器人存在的安全性和有效性问题,提出了一种基于伸缩和平移机构的腿式胶囊机器人.其中,伸缩机构采用微型连杆结构,平移结构采用丝杠-螺母结构.在空间位置、速度和输出力等约束条件下,对这两套驱动机构进行建模和分析,实现尺寸参数和电动机工作参数的优化.经过优化,伸展速度的范围为16.8 mm/s~34.2 mm/s,伸展力的范围为2.45 N~0.44 N,伸展效率的范围为92.8%~34.0%;而平移速度、平移推力和平移效率则基本保持恒定,分别为50 mm/min、4.20 N和50%.胶囊机器人驱动单元的长度和外径分别为33 mm和16 mm.最后,在离体猪结肠内测试该腿式胶囊平移机构机器人的性能,结果表明它可实现有效、安全的伸缩与平移运动,其平均速度可达25 mm/min.     

基于柔性铰链的杠杆-平衡机构的运动特性分析与参数设计

基于微小力测量（mN级分辨力,N级测量范围）的柔性铰链杠杆-平衡机构,建立了此机构的运动数学模型,并利用有限元方法对该数学模型进行了验证。数学模型计算及有限元分析结果表明,减小柔性铰链的刚度、增大平行四杆机构的长度能增大被测力产生的位移,通过合理地选择铰链支点两侧的杠杆长度,能设计出所需的杠杆比及运动模型,从而为该机构的设计提供了理论依据。     

FOPID控制器对广义VDP随机系统瞬态响应和可靠性的控制

能量采集技术是发展绿色智能交通系统的重要途径.与电池和电缆供电方式相比,从交通环境中收集机械能并将其转化为电能能为智能交通系统中分布的微机电系统供电,且具有便捷、可持续、绿色低碳等优点.本文设计了一种摩擦-电磁复合式能量回收带(Hybrid Triboelectric Electromagnetic Energy Harvesting Bump,HTEEHB),主要由电磁发电单元和摩擦发电单元组成,电磁发电单元磁体线圈交错排列,以提高空间利用率和增加功率密度;摩擦电单元采用改性聚二甲基硅氧烷复合材料组装的折叠结构,可显著提高输出功率.通过磁力和弹性体的双重作用力进行复位,可避免传统弹簧复位需要精密导向机构的缺点.基于HTEEHB工作原理,建立机电耦合动力学模型并进行试验验证,证明了磁力复位的有效性.试验结果表明,在激励频率为5Hz,受力为15N时,左右两侧摩擦发电单元产生的最大平均功率分别为353.1μW 和360 μW,电磁发电产生的平均功率为6.67μW.该装置收集车辆滚动能量,可为交通环境中的小型器件提供可持续的绿色无碳动力.     

基于柔性驱动关节的下肢外骨骼双模态切换控制

为了提高外骨骼关节柔性以及穿戴舒适性,设计了基于柔性驱动关节的可穿戴式下肢外骨骼,同时针对下肢外骨骼在控制的不同相位阶段其侧重点不同的特点,提出基于双模态切换的混合控制策略.首先,针对下肢外骨骼关节的柔性问题,设计了基于双平行弹簧的串联弹性体,并将其安装于外骨骼关节驱动模块,通过双编码器实现关节力矩和位置信息的反馈.然后,分析外骨骼在不同步态相位的运动特征,提出了双模态切换控制策略,即支撑相采用自适应阻抗控制算法来提高稳定性和抗冲击能力,摆动相采用自抗扰-终端滑模控制算法来提高响应速度和跟踪精度.最后,通过控制仿真和主被动跟踪实验,验证了本文算法相较于传统PID(比例-积分-微分)和自抗扰控制算法的优越性.被动跟踪实验结果说明当关节误差收敛范围在土5％时,收敛时间可达0.28 s;在主动跟踪实验中,实验人员穿戴外骨骼时髋关节和膝关节最大均方根误差分别为0.47°和1.28°,说明本文控制算法可以实时跟踪人体运动意图,满足人机交互柔顺性需求.