一种2自由度柔顺移动并联机构研究及其在对接装置上应用

利用伪刚体模型研究了柔性曲梁的弹性回复力和刚度特性,推导出了柔性曲梁的直线刚度表达式,其结果表明通过改变曲梁的预变形量可以改善曲梁的刚度特性,使其具有近似线性化刚度特点。利用该特点,提出了一种双曲梁支链结构形式。结合伪刚体模型和螺旋理论,探讨了该双曲梁支链的自由度和运动特性,进而设计出了一种2自由度柔顺移动并联机构。根据机构运动特点,推导出了其简化运动学和动力学方程,给出了并联机构平台的工作空间和刚度性能,对并联机构平台的极限扭转力矩进行了研究,并制作了柔顺移动并联机构实物样机,对其运动特性进行了试验验证。最后,将2自由度柔顺移动并联机构应用于无人艇水样对接装置设计,利用ADAMS仿真了对接过程,结果表明,该装置能在有较大的径向平移偏差和角度偏差的情况下,完成公头和母头的柔顺对接。     

（英）STI埋层的高光电流和低暗计数率单光子雪崩二极管

本文研究和分析了一种0.18-μm CMOS工艺单光子雪崩二极管（SPAD）,其结构能抑制过早的边缘击穿（PEB）,同时获得较大的光电流和低的暗计数率（DCR）。该SPAD由p-well/deep n-well的感光结,deep n-well向上扩散形成的区域和边缘Shallow Trench Isolation（STI）共同形成的保护环组成。通过测试确定了与光电流和暗率有关的STI层的大小。结果证明,在STI层与保护环之间的重叠区域为1-μm 时,SPAD的暗计数率和光电流最佳。此外,直径为10-μm的圆形SPAD器件的暗计数率为208Hz,且在波长为510nm时峰值光子探测概率为20.8%,此时具有低的暗计数率和高的探测效率以及宽的光谱响应特性。     

基于椭圆碰撞锥的无人艇海洋动态避障控制方法

为了提高无人艇在海洋动态避障中的效率,提出一种基于椭圆聚类-碰撞锥推演的可预测型无人艇海洋动态避障控制方法。在现有的路径规划算法,大多数对障碍物进行圆形建模,进一步采取规避措施。依据无人艇在海洋环境下实际的碰撞问题,提出对动态船只进行椭圆聚类,进一步提高无人艇的避障效率。提出的避障算法结合了《国际海上避碰规则》(COLREGS),并在避障结束后回归到初始规划轨迹上,最后,对提出的动态避障算法进行了仿真分析和实验测试。     

带梯形截面导磁环的全通道有效车用磁流变减振器设计

车用磁流变减振器(MRD)往往结构尺寸较小,且传统的车用MRD阻尼通道有效工作长度较短,输出阻尼力小,导致其工程应用受到限制。针对这一问题,提出一种带梯形截面导磁环的新型全通道有效MRD以增大阻尼通道有效工作长度,减缓磁饱和,并基于磁流变液流变特性和流体动力学理论给出了具体的结构与磁路设计计算方法,将5种不同结构的MRD进行有限元仿真对比。通过阻尼特性测试试验,分析其阻尼特性并与普通MRD、带弯曲磁路全通道有效MRD进行对比,应用线性二次高斯(LQG)控制器进行减振性能分析。研究结果表明：新型全通道有效MRD能够显著提高阻尼通道有效工作长度,达到阻尼通道全长的99%以上;新型全通道有效MRD能改善小尺寸MRD易发生磁饱和的问题;在相同电流激励与尺寸约束下阻尼通道的磁场强度分布更均匀,平均磁场强度更大,具有更大的输出阻尼力;新型全通道有效MRD在结构尺寸小的同时具有更大的输出阻尼力;新型全通道有效MRD相对于普通MRD具有更好的减振性能,能够进一步降低车辆的簧上质量加速度与轮胎动变形21.51%和1.43%。该研究能有效扩宽小尺寸MRD的实际应用范围,具有一定的工程应用价值。     

压电驱动三自由度柔顺精密定位平台研究

设计了一种由压电陶瓷驱动的整体式平面3-PRR柔顺并联定位平台,平台每条支链采用半圆型柔性转动铰链和直角型柔性直线铰链代替传统的转动副和移动副,消除了传统机构的铰链配合间隙和摩擦,通过Ansys软件对两种铰链进行了刚度分析,并在支链的输入端设计了柔性杠杆位移放大机构以提高平台的工作空间。基于“伪刚体模型法”建立了柔顺定位平台的运动学模型,采用Ansys软件对柔顺并联平台进行有限元分析,得到其静力学特性,最后搭建了平台测试实验系统进行了验证实验。通过运动学模型解析结果和有限元仿真结果与实验结果对比,得到在x方向、y方向和转动角φp的最大误差分别为10.81%,9.66%和9.79%,验证了运动学理论模型建模方法的可行性。     

基于细径McKibben型气动人工肌肉的仿生手研发

以细径McKibben型气动人工肌肉作为执行器,研发了一种质量轻且具有良好柔顺性、灵巧性的仿生机械手.分别以直径为1.3 mm和2 mm的细径McKibben型人工肌肉模拟人手的内在肌和外在肌,以人手骨骼、关节、肌肉的生理构造为设计准则,设计并制作仿生手样机.该样机由35根人工肌肉驱动,与人手大小相仿,质量小于0.5 kg.通过实验,对该仿生手的运动性能、目标抓握能力和鲁棒性进行验证,该仿生手可以完成与人手相近的动作.     

高边缘击穿和扩展光谱的圆形单光子雪崩二极管

介绍了一种0. 18μm互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的新型宽光谱荧光相关谱探测器,其为高边缘击穿、扩展光谱和低暗计数率的圆形单光子雪崩二极管(SPAD).该器件由p+/deep n-well结,p-well保护环和多晶硅保护环组成.通过Silvaco TCAD 3D器件仿真,直径为10μm的圆形p+/deep n-well SPAD器件具有较高边缘击穿特性.此外,p+/deep n-well结SPAD比p+/n-well结SPAD具有更长的波长响应和扩展光谱响应范围.该器件在0. 5 V过量偏压下,可在490～775 nm波长范围内实现超过40%的光子探测率.该圆形p+/deep n-well SPAD器件在25℃时具有较好雪崩击穿为15. 14 V,具有较低暗计数率为638 Hz.     

超精密隔振系统的建模与参数辨识

根据超精密隔振器的内部结构和隔振系统的布置形式,建立了超精密隔振系统的动力学模型,并在此基础上推导出理论频响函数。提出了隔振系统的频响测试方法,根据测试数据的特征值,计算获得了隔振系统动力学参数的初始值。采用参数调整法,使理论频响曲线不断逼进实验频响曲线,从而辨识出隔振系统的动力学参数。实验和误差分析结果验证了动力学模型的有效性和辨识参数的可信性。     

单一可动叶片车轮和砂土的交互作用力学特性

为评估本课题组研发的新型可动叶片车轮ALW(Active Lugged Wheel)与土壤交互作用的力学特性,搭建了ALW-土壤交互作用力学测量平台,测量了采用不同叶片运动轨迹的ALW机构与砂土间相互作用所产生的牵引力和垂直升力,将其与光滑车轮和单个叶片产生的土壤反作用力分别进行比较,辨识了车轮表面和叶片与砂土的耦合作用影响.根据测量结果进一步分析了叶片倾斜角度和沉陷长度对土壤反作用力的影响,并通过最小二乘法构建了叶片沉陷长度与土壤反作用力相关性的数学模型.结果表明:当车轮转角处于一定范围内时,ALW产生的牵引力和垂直升力比光滑车轮和单个叶片产生的作用力的总和更大,因此推断车轮表面和叶片与砂土的耦合作用会影响砂土的变形形式,ALW可以利用砂土的这种变形特性增大土壤反作用力;ALW受到的牵引力和竖直升力与叶片的倾斜角度没有明显关系,而与叶片的沉陷长度呈二次函数关系,因此可以通过主动调节叶片的沉陷长度来提高ALW机构在软土上的运动性能.     

基于压电摩擦阻尼的四参数隔振系统等效建模与频变阻尼特性分析

在轨卫星搭载的高精度有效载荷对环境微振动异常敏感,从而对隔振系统的振动衰减性能提出了更高的要求。传统两参数被动隔振系统提高隔振性能时,常采用添加定常阻尼进行能量耗散的方式,但存在低频共振峰抑制与高频快速衰减不能兼顾的固有矛盾问题。为了解决这一问题,一种能够实现阻尼特性基于频率变化的四参数隔振系统被提出,采用归一化方法建立其系统传递率与等效阻尼理论模型,并与两参数和三参数隔振系统进行对比分析。基于四参数系统的频变阻尼等效理论,设计一种基于压电陶瓷致动器产生摩擦阻尼的具象化四参数隔振系统,考虑非线性摩擦阻尼的融合问题,并分析中间等效质量参数对阻尼频变特性的影响规律,最后对其频变阻尼特性和隔振性能进行了仿真与实验验证。结果表明：时域上,四参数隔振系统对随机信号的隔振率达到91.1%;频域上,相较常值小阻尼系统,四参数隔振系统在低频共振处的峰值性能提升5.46dB,且高频段保持相近的快速衰减,表现出低频大阻尼、高频小阻尼的频变阻尼特性。仿真与实验结果均表明,系统能够解决被动隔振系统中存在的高低频隔振性能之间的矛盾问题。