胶囊机器人弯曲环境通过性与磁矢量控制

以空间万向旋转磁矢量为驱动源,以实现胶囊机器人在充满大黏度液体复杂弯曲环境内的非接触转向游动为目标,根据弯曲环境几何约束条件,研究机器人在圆弧弯管、转角弯管内的通过性与万向旋转磁矢量的控制策略。根据路径规划,推导机器人在弯曲环境内非接触游动所需要转弯位置、转向角和驱动距离,为顺利实现机器人转弯控制,基于上述参量,建立万向磁矢量的空间变换模型。试验表明,上述控制策略能够有效实现胶囊机器人在弯曲环境内的通过。     

新型肠道胶囊式微型机器人的运动特性

提出一种胶囊微机器人的外旋转磁场驱动方法,原理是以径向磁化瓦状多磁极构成的圆筒形NdFeB永磁体为外驱动器,以胶囊微机器人内嵌同磁极结构NdFeB永磁体为内驱动器,通过外驱动器旋转产生旋转磁场的磁机耦合作用,形成内嵌驱动器对胶囊微机器人的驱动力矩,在胶囊表面螺旋与流体形成的动压力作用下,实现胶囊微机器人在肠道内旋进。首先介绍胶囊微机器人系统的结构,然后根据雷诺和Navier-Stokes方程建立管道环境内胶囊微机器人的运动数学模型,对其螺旋参数与速度的关系进行理论与试验研究,并发现了临界间隙现象。试验表明,该胶囊微机器人具有驱动力矩大、适合大粘度液体封闭管道内行走等特点,在人体肠道和血管内具有很好的应用前景。     

粘性流体内花瓣型胶囊机器人驱动特性

以花瓣型胶囊机器人为模型,推导机器人表面流体运动规律。通过解析法求得机器人外围流体动压力表达式,以牛顿内摩擦定律为基础得到液体阻力矩模型,对比研究花瓣型和圆柱形两种胶囊机器人管道内悬浮能力,分析流体粘度对不同廓形胶囊机器人液体阻力矩的影响,得到花瓣型胶囊机器人能够悬浮在管道中避免与管道接触,同时可以降低磁场线圈功耗,且流体环境适应能力强,提高了临床应用的可行性。     

一种高性能花瓣廓形胶囊机器人

为提高肠道内综合驱动性能,提出一种新型花瓣状结构胶囊机器人,机器人表面四块偏心花瓣廓形与管壁形成四个收敛楔形空间,使流体运动路径发生改变并产生多楔形效应。根据库埃特流动理论,借助牛顿内摩擦定律建立花瓣型胶囊机器人流体动力学模型,在求得机器人稳态游动速度、流体动压力和液体扭转力矩解析解的基础上,对花瓣型胶囊机器人综合性能进行研究。理论与试验证明花瓣型胶囊机器人表面流体动压与稳态游动速度更大,流体扭转力矩更小。花瓣型胶囊机器人的综合性好,实现机器人在管道内全悬浮式非接触游动,诊断遍历时间更短,对肠道的扭曲作用更小,安全性更高,在胃肠道诊断领域实用前景良好。     

管内轮式移动机器人弯道内驱动控制方法

三轮全主动驱动管道机器人的弯道通过性一直是个难题，由于三轮差动机构尚未实现，机器人的3个主动驱动轮在弯管内将出现干涉而不能行走。为了使机器人可靠、平稳、快速地通过弯管，基于机器人在转弯过程中的阻力负载特性分析的基础上，提出了驱动轮独立协调控制转弯的方案，并对速度协调控制过程进行了仿真实验，结果表明驱动轮独立协调控制方案可有效地解决机器人转弯过程中三轮的差动问题。     

肠道胶囊式微机器人轴向磁拉力特性

提出一种以径向磁化的瓦状多磁极组成的圆筒式永磁体为外驱动器，以嵌入机器人本体内与外驱动器同磁极结构的永磁体为内驱动器的非接触式驱动控制方案。通过外驱动器的旋转产生旋转磁场，借助于磁机耦合作用，驱动机器人旋转并在其外螺纹表面形成的流体动压力作用下产生轴向推力，进而实现胶囊式机器人在肠道内旋进。基于等效磁荷理论，采用磁荷积分法建立了驱动器的轴向磁拉力模型，对驱动器磁极结构参数与磁拉力的关系特性以及磁拉力与机器人游动关系特性进行了理论与试验研究。     

SCARA机器人高斯过程动力学建模研究

实现机器人的精确控制需要将机器人动力学模型加入控制律中,但是动力学建模过程中引入的测量误差以及摩擦力、驱动器动力学特性等非线性因素会引起较大的建模误差,从而影响机器人的控制精度。针对这个问题,以SCARA机器人为研究对象,采用高斯过程回归方法,直接通过SCARA机器人的输入与输出量对其逆向动力学模型进行估计。并将估计模型用于机器人的计算力矩控制。通过ADAMS和Simulink联合仿真的方式,对基于回归预测模型的计算力矩控制与采用解析模型的计算力矩控制进行了仿真对比实验,结果表明基于高斯过程回归模型的计算力矩控制有更好的位置跟踪效果。     

磁性液体密封耐压与启动力矩的影响因素研究

由于驱动电机的功率和力矩的限制,一些动密封场合对启动力矩有着明确的要求,相较于传统的密封导致启动力矩较大,磁性液体密封在启动力矩方面有更大的优势。但是在不同的环境中,磁性液体密封的启动力矩波动较大,无法达到某些极端密封场合对耐压和力矩的双重要求,从而限制了磁性液体密封在该类密封场合的应用。以温度为切入点,就磁性液体密封的耐压能力和启动力矩进行理论和实验研究,得到温度与磁性液体密封耐压能力和启动力矩的关系。结果表明：磁性液体密封的间隙越小,耐压能力越大;温度越低,最大耐压值越大,-40℃时最大耐压值为80℃时的5倍;启动力矩随压力的增加而逐渐减小;温度越低,启动力矩越大,-40℃时的启动力矩接近20℃时的5倍,并且在低温磁液用量对密封启动力矩的有明显影响。     

基于Simulink的仿人机器人步行运动仿真模型

在对仿人机器人完整步行运动分析的基础上,基于Simulink建立了仿人机器人步行运动仿真模型.首先,给出了仿真模型的整体结构框架;接着,建立了仿人机器人13质量块动力学模型,分析和讨论了仿人机器人行走过程中脚与地面的作用过程,基于关节驱动力矩二次型积分最小,规划得到了一组稳定的行走步态,并基于传感反射控制实现了仿人机器人复杂环境下的应用;最后,对仿真结果进行了分析和讨论.     

管内检测机器人在弯管处的通过性能研究

对管内检测机器人在弯管处的通过性问题进行了研究。从空间几何体应满足的几何关系和力学平衡两方面条件出发,对单节机器人在弯管内的运动作了分析,建立了机器人通过弯管的数学模型,并研究了模型的计算方法。通过算例计算,得出了单节机器人的运动轨迹和各运动轮上的弹簧伸缩量,并根据机器人在弯管内的尺寸限制,求得了机器人通过弯管的最大直径。算例证明了本模型得到的机器人运动轨迹平滑,解决了已有模型得到的轨迹存在间断点的问题,为机器人尺寸设计和后续研究提供了理论基础。     

一种内螺旋管道机器人

提出了一种内螺旋管道机器人(简称内螺旋机器人）。设计了该机器人的结构,建立了机器人的动力学方程,数值计算了机器人在管道内运行时管道内壁所受的压力、机器人的轴向推进力和液体对机器人的周向阻力矩。结果表明,当驱动为外磁场驱动时,内螺旋机器人轴向推进力和周向阻力矩都会增大,但对管道壁的损伤也会增大。以机器人轴向推进力和能效指标为优化目标,采用正交优化方法得到一组最优的内螺旋槽几何参数。根据内螺旋机器人的工作原理,设计制造了内螺旋驱动样机,该样机在充满201甲基硅油管道中的运行实验证明了内螺旋机器人的可行性。提出的内螺旋机器人表面光滑,能悬浮运行,对管壁的损伤小,可用于人体内腔的微细管道中。     

基于流体动力学的弯管应力有限元分析

由直管弯制而成的弯管几何形状和结构复杂，在流体作用下受力复杂，准确的应力分析是进行强度计算和弯管设计的重要前提。使用ANSYS流体-固体有限元分析软件，建立了管内流体动力学分析和弯管结构应力三维分析模型，利用两种不同物理环境的转换，得出了弯管在流体不均匀压力作用下的应力分布，讨论了流量、弯管加工缺陷对弯管应力的影响。     

具有柔性传动能力的气压驱动微型管道机器人

针对火力发电厂110 MW冷凝器蒸汽回流回路等微型管道的检测和维护问题,研制了一种具备柔性传动能力的气压驱动微型管道机器人,设计了柔性动力传输系统,实现了机器人的驱动源外置和动力的柔性长距离传输。建立了微型管道机器人在直线管道、弯曲管道的运动学分析和驱动力分析模型,为驱动力外置提供了控制依据。在管径为70 mm的复合管道的实验研究表明:该气压驱动微型管道机器人在柔性软轴的作用下,可以有效地获得来自外置动力源的驱动力,能够实现在具有任意曲率半径的微型管道内部行走。     

永磁悬浮非接触回转驱动系统

提出一种永磁悬浮非接触回转驱动系统,该系统由悬浮部分和非接触回转驱动两部分构成。悬浮部分采用运动控制方式,利用音圈电动机驱动永磁铁实现悬浮物竖直方向的稳定悬浮;回转驱动部分由直流伺服电动机驱动径向磁化永磁铁回转,形成变化磁场,非接触驱动悬浮物回转。本系统未在悬浮物中加入任何磁性材料,仅利用悬浮物表面剩余磁化点实现悬浮物的非接触回转驱动。介绍系统的悬浮与驱动原理,建立非接触驱动数学模型,并利用仿真与试验分析系统的回转驱动特性。分析结果表明：悬浮物的非接触回转驱动可以由伺服电动机驱动盘状永磁铁旋转来实现。铁球是否旋转与磁铁的数量无关;驱动磁铁的数量与系统的响应速度成正比,驱动磁铁的数量增多,输入速度和输出速度之间的线性度相对提高,旋转稳定。明晰本系统的非接触驱动特性,为隔离环境下铁磁性物品或零件的非接触操纵和姿态控制奠定了理论基础。     

利用流体能量的管道机器人速度计算与控制

研究一种利用流体能量驱动和发电的管道机器人,该机器人完全浸润在充满流动介质的管道内,利用流体压力以及流体速度能量获得驱动力。机器人随着管内流体的流动向前推进,需要克服惯性质量以及与管壁之间的摩擦阻力的影响,对于不同的流体介质,机器人需要根据工作要求自动进行速度调节,因此必须对机器人的结构和尺寸进行合理设计,确定管道内的流体力学条件,并设计速度控制装置,对机器人速度实现行为控制。     

Study on the inner surface finishing of irregular spatial elbow pipe by the centerline reconstruction

Due to the compact space structure of aerospace engine, the structure of the inner spatial elbow pipe of the engine exhibits irregular geometric characteristics, which makes the inner surface of the curved pipe difficult to polish, especially the bending place’s surface quality cannot be ensured. It is centerline reconstruction that can be a good solution to this problem, which measures the outer surface contour line and generates the spatial point cloud of the elbow pipe and thus, the irregular geometric centerline of the spatial elbow pipe is rebuilt. Furthermore, the polishing path of the spatial elbow pipe is calculated and optimized. At the same time, using of magnetic abrasive finishing (MAF) has well in flexible machining characteristics, the outer space of the elbow pipe is loaded with rotating magnetic field, so as to get form a “magnetic abrasive brush” inside the tube, achieve the purpose of bending the inner surface finishing. Under the same processing time, compared with the pure manual measuring magnetic grain processing, the reconstruction of the center line of the magnetic processing can make the space bend surface roughness lowered to 0.11 μm, which improves the processing quality of the tube surface and the processing efficiency.     

履带车辆硬地面转向阻力矩算法的研究

提出履带车辆一边履带驱动、另一边履带制动实现转向时地面产生的阻力矩的计算方法。通过建立相对车辆静止的动坐标系,推导出履带板上任意点的运动速度方程。地面对履带板上接触点的摩擦力方向与该点的运动速度方向相反,从而确定出产生转向阻力矩的摩擦力的大小和方向,对转向中心取矩得到转向阻力矩。通过求解运动学方程组,得出转向阻力矩。研究表明,履带与地面问摩擦力沿履带方向的分力提供转向驱动力,垂直履带方向的分力产生转向阻力。该转向阻力矩计算方法比传统计算方法更加精确。     

高速漏磁检测饱和场建立过程及影响因素研究

在高速漏磁检测过程中,随着检测速度增加,有效磁化时间减少,导致被测构件饱和场无法建立,影响磁化效果。采用方波激励模拟外磁场瞬变情况,建立瞬磁场作用下钢管内部磁场响应模型,对钢管内部饱和场建立过程及影响因素进行研究;分析高速漏磁检测时缺陷漏磁场特征,利用有限元方法计算磁场强度和钢管材质对磁化滞后时间及缺陷检测的影响;设计高速漏磁检测实验平台,对不同运行速度和不同外磁场强度下钢管缺陷进行实验研究。结果表明,外磁场瞬变时,钢管内壁中心磁场明显滞后于外磁场,钢管内部饱和场建立时间与磁场强度和材料电导率有关,提高外磁场强度,可快速建立饱和场,减弱磁化滞后时间和涡流效应影响,提升缺陷检测效果和漏磁检测速度,实验结果和理论分析具有很好的一致性。     

螺旋轮驱动的细小管内移动机器人研究

螺旋轮驱动的管内机器人是一种适合小口径管内移动作业的微小机器人形式。它由动力内置式螺旋运动机构和CCD摄像头/监视装置组成。本文分析了这种移动机构的运动和力学性能。经过对原理样机的试验测试,得到移动性能的实验数据,为开发适应φ20mm管径的螺旋运动机构提供设计依据。     

螺旋驱动管内机器人自适应运动机理与机构设计

为了提高螺旋驱动式管内机器人在直管道和不同曲率半径弯管道中的环境适应能力,对自适应运动机理这一问题展开研究。考虑管道环境特点,在机器人运动学和力学建模的基础上,分别提出直行运动机理、转向运动机理和负载能力调节机理。调节螺旋轮倾角能够使螺旋驱动式管内机器人具有环境自适应性,并能够避免运动干涉和滚轮打滑的问题。基于自适应运动机理,提出一种基于自适应联动机构的螺旋驱动式管内机器人。自适应联动机构通过偏心臂反馈环境信息,并利用差动原理改变螺旋轮倾角。动力学仿真结果表明:该机器人能够机械自适应地通过直管和不同曲率半径的弯管,同时能够通过自适应联动机构调节负载能力。