一种基于行星履带轮越障与混合双吸附补偿的爬壁机器人的设计与研究

针对爬壁机器人在复杂壁面工作时越障能力弱、移动迟缓和吸附力不足等问题,设计了一种基于行星履带轮越障与混合双吸附补偿的爬壁机器人,并对壁面移动和越障的性能进行研究。首先根据机器人在壁面上的运动原理,建立其力学模型,计算出沿壁面移动和越障所需的吸附力;进一步结合其受力情况,对越障过程中爬升阶段和跨越阶段的吸附力补偿模型和行...     

一种轮足复合式爬壁机器人动力学建模与分析

针对爬壁机器人不同状态下吸附力合理值的求解问题开展研究.首先分析了一种包含闭链约束的轮足复合型移动机构,基于运动等效原则将其拆成开链机构.利用牛顿-欧拉算法对分拆后的开链机构进行动力学建模.基于动力学模型,以运动失效的临界条件为约束函数,构建爬壁机器人在不同倾角壁面上的吸附力学模型,从而获得不同状态下吸附力的合理值.仿真和实验表明基于该模型获得的吸附力参数能够保证机器人的安全吸附.因此所构建的模型是合理的,可以为爬壁机器人在不同状态下合理控制吸附力大小提供理论依据.     

双足爬壁机器人壁面凹过渡步态规划研究

针对腿足式爬壁机器人在壁面过渡时的步态规划问题，以一种真空吸附式双足爬壁机器人为研究对象，在步态分析的基础上，基于有限状态机建立了机器人的步态模型，进而提出了基于加权插值和BP神经网络的双足爬壁机器人壁面凹过渡在线步态规划算法，为提高机器人壁面过渡的自主控制能力奠定了基础．仿真分析和实验结果表明，该步态规划算法对于实际的机器人系统是有效的和可行的。     

基于ADAMS的仿壁虎爬壁机器人的运动仿真

为实现在不同环境的壁面上自由爬行,设计了应用仿壁虎微纳米粘附阵列的爬壁机器人,建立了机器人的动力学模型及足部与壁面之间的接触模型,并利用机械系统动力学软件ADAMS的仿真功能,对机器人沿垂直壁面爬行的运动特性进行了仿真.利用ADAMS的后处理模块的分析功能,重点研究了在一个运动周期内,模型整体质心的位移、电机转矩以及足部与壁面之间的接触力随时间的变化情况.仿真结果表明该仿壁虎爬壁机器人能够以约26mm/s的速度沿着垂直的壁面平稳地运动,不存在波动和偏离.这为下一步研制仿壁虎爬壁机器人的物理样机提供了理论指导,也为其他仿生机器人的研究提供了参考.     

基于DSP技术的爬壁机器人吸附控制系统设计

壁面吸附是爬壁机器人的基本功能之一,其吸附程度直接影响爬壁机器人的稳定性和移动速度;为此,设计了基于DSP技术的爬壁机器人吸附控制系统;选择爬壁机器人传感器装置,加设DSP数字信号处理器,设计爬壁机器人吸附控制器;在硬件结构的支持下,根据爬壁机器人的组成结构和工作原理,构建相应的数学模型;在该模型下,利用DSP技术计算爬壁机器人吸附力;通过爬壁机器人在壁面环境下的受力分析结果,确定爬壁机器人安全吸附条件;以吸附控制器作为执行机构,实现爬壁机器人的吸附控制;选择负压爬壁机器人作为测试样机,通过系统测试表明,在瓷砖、木板、玻璃三种壁面环境下,与两个对比系统相比,应用此次设计系统得出爬壁机器人吸附力的控制误差降低了2.04 N,倾覆风险系数降低了0.29,具有较好的吸附控制效果。     

四轮驱动滑动吸盘爬壁机器人的动力学研究

研究了四轮驱动滑动吸盘式爬壁机器人在滑动导向运动方式下的动力学问题．首先分析了机器人在壁面上安全移动的运动状态和约束条件, 然后对驱动轮支撑力分布、驱动轮与壁面间的横向摩擦力以及密封圈摩擦力进行分析,进而基于牛顿---欧拉法建立了机器人的动力学方程, 并用驱动力矩安全系数来表征驱动力矩的安全程度．通过动力学仿真,分析了吸附压力、驱动轮分布、密封圈刚度等对驱动力矩的影响, 为四轮驱动滑动吸盘式爬壁机器 人结构优化和安全运动控制提供理论依据．     

具有壁面自适应能力的磁吸附爬壁机器人设计

为解决爬壁机器人在船舶货舱清洗过程中多壁面过渡的问题,该文设计了一种具有壁面自适应能力的磁吸附爬壁机器人,其包括磁吸附机构、自适应清洗机构和行走机构。该文首先通过建立机器人壁面过渡时的力学模型,得到机器人磁吸附力的分布特点,并据此设计出一种弧形磁吸附机构。然后利用 ANSYS Maxwell 3D 软件对该机构磁吸附力的分布进行优化,以满足壁面过渡的需要;此外,还在机器人前端设计了一种自适应清洗机构,通过对该机构的结构原理进行分析和实验,验证了清洗机构也具有壁面过渡能力。最后通过模拟船舶货舱壁面的实际特点,对机器人样机进行壁面过渡综合实验,完成了机器人舱底过渡行走实验和舱顶过渡行走实验,验证了该机器人的壁面自适应和舱内行走的能力。     

壁面清洗机器人本体刚度及振动研究

依靠风扇产生负压吸附于壁面的高大建筑清洗机器人系统,其密封裙边和支撑机构的刚度构成了机器人的本体刚度.由于它的存在,加之壁面的某种不平、窗框、密封胶条、机器人移动及清洗刷的旋转运动等因素的影响,导致机器人在壁面上工作时出现不同的振动状态.本文建立了清洗机器人系统的动力学模型,研究了壁面清洗机器人本体刚度与清洗刷位置布局、机器人在壁面上的振型以及临界牵引速度之间的关系,给出了清洗刷的布置准则以及机器人临界牵引速度的确定准则.     

履带式爬壁机器人磁吸附单元的磁场及运动分析

介绍了履带式磁吸附爬壁机器人的磁吸附单元的结构和工作原理．对单个磁块建立了有限元模型,并利用ANSYS软件对不同工作状态的磁块进行了磁场求解．进而,通过对一系列电机的扭矩测量确立了履带的平面力学方程,为机器人的动力学和运动学奠定了基础．     

爪刺式飞行爬壁机器人的仿生机理与系统设计

在深入分析自然界生物在含粉尘非结构化表面上着陆栖息和爬行仿生原理的基础上,建立了爪刺式飞行爬壁机器人的爬行动力学模型和接触―碰撞动力学模型,研究了爬壁系统的爬行动力学和机器人整机的接触―碰撞动力学行为.利用柔性碳纤维杆和柔性绳组合机构以及爪刺机构,实现爪刺对壁面的自适应抓附与脱离.完成了具有飞行和壁面爬行能力的爪刺式飞行爬壁机器人的优化设计,并开展了整机着陆栖息和爬行的实验.通过与计算结果的比较,验证了动力学模型的正确性和仿生设计的可行性.研究得到了理想爬行步态所需要的舵机驱动力曲线,且发现当尼龙绳预紧力为0.75 N时,对爬行过程中的抖振现象的减缓效果最佳.同时,还深入分析了着陆初速度、能量转换以及舵机升力对着陆栖息的影响,结果表明当着陆碰撞前速度约为0.9 m/s、俯仰角约为?10?时,机器人能正常着陆在粗糙壁面上,并且碳纤维杆的能量转换与升力的共同配合能扩大成功着陆所需的初始状态范围.     

滚动轴承-柔性碰摩转子系统非线性动力学响应分析

针对现有轴承-转子系统动力学模型的不足,考虑非线性滚动轴承力、不平衡量、碰摩故障及陀螺效应,建立了滚动轴承-柔性对称碰摩转子系统非线性集中质量模型.通过数值计算与比较,结果表明:低转速下系统响应主要表现为滚动轴承的变刚度振动,高转速下轴承变刚度振动的影响相对减弱,转子不平衡和碰摩故障对系统的影响逐渐增强,陀螺效应对高转速下对称转子的响应不容忽略.     

Nonlinear structural behavior of a size-dependent MEMS gyroscope assuming a non-trivial shaped proof mass

In this paper, a size-dependent based non-classical mechanics model for the structural behavior of a MEMS (micro-electro-mechanical systems) gyroscope is investigated. The micro-cantilever based gyroscope is possessing a proof mass at its free end, assumed to hold a non-negligible length as compared to the micro-cantilever’s length. The proof mass is triggered through an actuating electrode and at the same time is assuming a sensing electrode together assuming parallel-plates capacitive arrangements. The governing equations of the micro-gyroscope system are derived within the framework of a modified couple stress non-classical mechanics theory. Based on the resulting equations, the static and dynamic analyses of the system are performed to estimate the pull-in instability voltages, natural frequency, and dynamic responses of the sensing electrodes near primary resonance that are caused by the use of point mass assumption and classical theory. A mixed based method involving both the Galerkin modal expansion procedure along with the method of multiple scales (MMS) technique is utilized to carry out the micro-gyroscope primary resonance analysis through plotting its respective frequency responses near its fundamental mode. Simulated results show that the proof mass dimension and its respective size effects play a substantial role in drastically changing the initiation of the system pull-in instability along its actuation direction, its fundamental natural frequency, and accordingly its dynamic amplitude along its corresponding sensing direction.

     

基于血液供给条件和力学环境的骨折愈合仿真

为了模拟和预测肌体组织复杂的再生修复过程,提出基于力学环境和血液供给条件建立骨折愈合仿真模型.针对骨折固定的力学条件和生物学因素,用一种时间动态模型模拟二期骨折愈合阶段的机械稳定性、血管再生和组织分化之间复杂的作用关系.与以往模型不同,本研究建立骨折的三维几何模型,通过有限元法计算骨痂局部力刺激,并与模糊逻辑相结合,将血液浓度作为时-空状态变量引入到模型中,描述骨痂力学及组织分化过程.通过前进欧拉法进行组织浓度等时间步长的迭代更新,在Visual Studio 2012环境下实现愈合进程模拟.最后,利用仿真模型预测稳定与不稳定环境下骨间动度随骨折愈合时间的变化情况,并将仿真结果数据与实验数据进行对比,结果表明,仿真结果与实验数据在趋势和数值上都有较好的吻合,仿真结果数据全部分布在实验数据平均偏差范围内.该结果验证了骨折愈合模型的精确性以及在模拟骨折愈合过程方面的优势.     

基于人机交互的重载机械臂控制方法

针对目前重载机械臂控制系统存在的人机交互性不足问题及重载带来的刚柔耦合问题,设计了一种基于动力学模型的人机交互闭环力!/!位控制算法,并依据该算法设计了7自由度重载机械臂控制系统.首先分析了国内外重载机械臂的工作特点和存在的问题,提出基于力!/!视觉反馈的人机交互方式来增强系统的人机交互性;然后为抑制刚柔耦合带来的控制问题,建立了重载机械臂刚柔耦合动力学模型,提出基于人机交互的重载机械臂力!/!位闭环控制算法.最后搭建重载机械臂控制系统,搭建的控制系统包括人机交互子系统、环境感知子系统、驱动子系统、信息处理子系统及通信子系统.在此基础上,进行重载机械臂控制系统作业试验.试验结果表明,该控制系统能够完成人机交互作业功能,相对于传统重载机械臂作业手段,有效提高了作业效率70%,保障了作业人员安全,验证了所提出控制系统的人机友好性、可行性和实用性.     

非线性系统的蚁群优化预测PID控制

针对非线性、时变及大惯性系统的控制问题,提出了一种基于蚁群算法的预测PID控制算法。该算法以神经网络作为预测模型,将预测控制和PID控制相结合,并用蚁群算法在线优化控制器参数,其中以常规的Ziegler-N ichols方法整定的控制器参数为基础,选取蚁群优化变量的动态搜索区间。该算法考虑了控制能量受限情况下,非线性系统的预测控制问题。计算机仿真结果表明,该非线性控制方案具有较好的鲁棒性,相对传统PID控制策略还表现出了良好的动态性能,能够满足对再热汽温对象的控制要求。     

Simulation model for micromechanical angular rate sensor

A simulation model for an angular rate sensor, a gyroscope, is presented. The device is based on a micromechanical dual torsional mass system which is actuated electrostatically and sensed capacitively. Model equations describing a dynamic, non-linear system are first presented and then realized as an electrical equivalent circuit. The vibrational modes of the system are modelled with coupled resonator circuits. The electrostatic and Coriolis forces as well as variable capacitances in the small air gaps are modelled with non-linear controlled current sources. External forces, torques and electrical actuation can act as inputs to the device. The model presented allows numerical sensor simulations concurrently with the interfacing electronics in the time and frequency domains. The model is verified by comparing its simulation results to measured frequency responses and capacitance-voltage characteristics.     

变桨距风力机特性模拟

变桨距风力机在不同风速下具有不同的运行状态和输入输出关系.文章根据空气动力学理论研究了风力机静动态特性;探讨了不同风速下,变桨距风力机的控制方案及运行状态;根据变桨距风力机不同的运行状态,设计了发电机特性和桨距角控制方案;在matlab/simulink环境下,建立了适应变桨距风力机全状态的模拟系统;在匀速风、阵风、渐...     

Dynamic behaviour of material states in steam power plant control

The enormous price increase in petroleum and the limited reserves of other fossil fuels have resulted in the increased use of nuclear power plants for the basic load of electricity supply. Consequently, conventional steam power plants have been used to meet the variable and peak loads in electricity generation. The control of fast and large load changes is becoming more and more important for conventional power plant operations. An economical control of the nonstationary operation (start-up, shut-down and large load changes) is possible only by approaching and maintaining the maximum allowable values of the material state variables (temperature θ, strain ? and stress σ) at the critical points of the power plant components. To achieve this primary control goal, the dynamic behaviour of material states must be well understood. A direct measurement of the changes in material states especially due to thermal stresses, caused by temperature gradients, is not possible. The material states can be calculated, however, by means of mathematical models describing the nonstationary temperature distribution. The working fluid temperature, pressure and mass flow rate are the input variables for these mathematical models. This paper presents a linear mathematical model for the investigation of the dynamic behaviour of material states. Another mathematical model is also developed for calculating the thermal stresses for large temperature and load changes. Thus, the steam generator models so far describing only the states of the working fluid can be extended to the material states. The basic idea is demonstrated for an insulated thick wall tube containing a working fluid. The simulation of the mathematical models is performed.     

Principal component analysis in linear systems: Controllability, observability, and model reduction

Kalman's minimal realization theory involves geometric objects (controllable, unobservable subspaces) which are subject to structural instability. Specifically, arbitrarily small perturbations in a model may cause a change in the dimensions of the associated subspaces. This situation is manifested in computational difficulties which arise in attempts to apply textbook algorithms for computing a minimal realization. Structural instability associated with geometric theories is not unique to control; it arises in the theory of linear equations as well. In this setting, the computational problems have been studied for decades and excellent tools have been developed for coping with the situation. One of the main goals of this paper is to call attention to principal component analysis (Hotelling, 1933), and an algorithm (Golub and Reinsch, 1970) for computing the singular value decompositon of a matrix. Together they form a powerful tool for coping with structural instability in dynamic systems. As developed in this paper, principal component analysis is a technique for analyzing signals. (Singular value decomposition provides the computational machinery.) For this reason, Kalman's minimal realization theory is recast in terms of responses to injected signals. Application of the signal analysis to controllability and observability leads to a coordinate system in which the "internally balanced" model has special properties. For asymptotically stable systems, this yields working approximations ofX_{c}, X_{bar{o}}, the controllable and unobservable subspaces. It is proposed that a natural first step in model reduction is to apply the mechanics of minimal realization using these working subspaces.     

基于动态卷积多层域自适应的轴承故障诊断

现有基于深度学习的轴承故障诊断方法对数据具有一定的依赖性,要求训练数据与测试数据具有相同的分布。在变工况的条件下,网络模型的故障诊断精度会因数据分布发生变化而下降。为保证网络模型能够在变工况条件下对轴承的健康状态进行准确识别,基于无监督域自适应理论,提出一种新颖的智能故障诊断网络模型——动态卷积多层域自适应网络。该网络一方面充分利用动态卷积强有力的特征提取能力,提取更多有效的故障特征;另一方面采用相关对齐实施非线性变换,同时对齐多层故障特征分布的二阶统计量,促进源域的诊断知识向目标域迁移,提高了模型在目标域无故障标签条件下的故障识别准确率。最后,在两个数据集共14个迁移任务下进行实验,实验结果表明,动态卷积多层域自适应网络能够实现较高的故障诊断识别精度。