新型高效电磁驱动反力作动器的设计及特性研究

设计了一种新型高效电磁驱动反力作动器，进行了作动器的磁场计算，利用Ansys软件对其弹簧刚度进行了分析。建立了作动器的力传递模型，通过Matlab软件对其力传递特性进行了仿真分析。以正弦信号输入对作动器的作动特性进行了试验，结果表明作动力大，作动器性能良好，可以很好适用于各种振动系统的主动振动控制。     

砧骨激励式人工中耳作动器的设计及实验

为治疗感音神经性听力损伤，设计的中耳植入式助听器，近年来已成为国内外研究的热点。提出一种砧骨激励式中耳植入助听装置，设计时综合考虑植入位置、空间、手术过程等，并对加工出的装置进行了相关实验。该装置采用压电式作动器，结构简单，作动器产生的力能够高效地传送至听骨链。在设计过程中使用有限单元法（FEM）对装置的共振频率和输出位移进行预估，仿真及实验结果说明该作动器具有良好的动态响应特性，谐波失真度小于1 %，在6.9 Vrms电压驱动下能够提供相当于鼓膜处90 dB SPL激励的效果，可以激励镫骨产生足够的位移以补偿听力损失，是一款有效的助听装置。     

面向介观尺度制造的螺杆型压电作动器

提出一种可应用于介观尺度零件精密加工进给的螺杆型直线压电作动器,该作动器定子与转子通过精密螺旋副相啮合.首先,建立了该直线压电作动器定子的有限元计算模型;然后,运用ANSYS软件进行了模态分析和谐响应分析,讨论了结构参数对定子谐振频率及振幅的影响,得出了一般规律;最后,根据定子优化设计结果制作了实验样机和专用驱动电源.实验结果表明:该作动器具有较好的输出性能,在电压峰峰值为300 V、驱动频率为16kHz的情况下,其最大空载速度为24 mm/s,最大输出力为6 N,基本可以满足介观尺度对象车铣复合加工对于驱动力和进给速度的要求.     

基于光控压电混合驱动悬臂梁独立模态控制

本文提出利用镧改性锆钛酸铅（PLZT）的光电效应,将PLZT作为电动势源来驱动压电作动器,从而实现光控板壳结构的振动控制。基于光控压电等效电学模型建立了光控压电混合驱动的数学模型,并进行了实验验证。为了实现光控悬臂梁的独立模态控制,针对悬臂梁结构,设计了正交模态传感器/作动器表面电极形状函数。提出PLZT与压电作动器正/反接控制的激励策略,并结合速度反馈定光强控制的控制算法,利用Newmark-β法对不同光照强度下悬臂梁的动态响应进行了数值仿真分析。分析结果证明了本文所设计的模态传感器/作动器及针对光控压电混合驱动提出的控制策略的正确性。     

基于多信息融合的下肢外骨骼机器人感知系统研究

人体运动感知系统是外骨骼机器人柔顺控制和人机耦合的关键。通过分析外骨骼机器人的下肢动态模型,提出了一种支撑相选择位置控制、摆动相选择交互力导纳控制的人机协同控制方法。根据该方法开发了一种基于多信息融合的下肢外骨骼机器人感知系统,以人体下肢关节角度、人机交互力和足底压力为运动状态感知量,利用变增益卡尔曼滤波算法和Savitzky-Golay滤波算法分别对IMU传感器数据进行姿态角度解算和对FSR压力数据进行预处理,获得步态特征并通过试验来验证该方法的可靠性。试验结果表明：角度解算算法具有高精度、高稳定性的特点,交互力感知方法和FSR压力数据处理算法具有可行性,验证了所开发的感知系统能够可靠地获取关节角度、人机交互力和足底压力并融合处理,以及准确地识别穿戴者的步态特征。研究结果为外骨骼机器人感知系统的优化提供一定参考,促进了外骨骼机器人控制系统及策略的发展。     

旋转偏心质量块式消振电力作动器建模与控制EI北大核心CSCD

直升机等非固定翼飞行器在飞行状态时由桨叶旋转所产生的周期性低频振动会通过刚性机体传递至驾驶舱、航空发动机以及起落架等部位,会造成机体的持续振动,严重时会影响驾驶员的生命安全。提出了旋转偏心质量块式消振电力作动器,并开展了控制方法研究。从理论上推导了旋转偏心质量块式消振电力作动器的输出力模型以及负载转矩模型;提出基于双电机并行独立控制的电力作动器输出力伺服控制策略,在复频域进行了稳定性分析,并针对正弦波非线性负载扰动带来的转矩脉动问题,对双电机并行独立控制策略展开了优化设计,通过负载前馈控制使系统具备良好的鲁棒性和抗干扰性;研制了重量为14 kg的实验样机并完成了优化控制策略前后电力作动器稳态、动态性能的对比验证实验。结果表明,优化控制策略下的作动器输出力动稳态性能满足各项技术指标要求。     

基于0-3方向极化的PLZT作动器的开口圆柱壳的主动振动控制

基于理论分析及实验研究建立了沿0-3方向极化的PLZT光致伸缩作动器产生的光致应变随光照时间动态响应的本构方程,研究了光照强度、PLZT作动器的厚度与作动器产生的饱和光致应变及时间常数的关系。在此基础上研究了能产生非均匀控制力/力矩的新型四区域光致伸缩作动器对开口圆柱壳的主动振动控制。针对光致伸缩作动器产生驱动应变的特点,设计了速度反馈定光强半周期控制的控制策略,仿真结果表明,所提出的主动控制策略可以有效地抑制圆柱壳的振动。通过与沿0-1方向极化的PLZT作动器对比表明,由于沿0-3方向极化的PLZT作动器响应速度快,在相同光强下对圆柱壳的控制效果更好,且光照强度赿大控制效果越好。     

外骨骼穿戴式康复机器人研究综述

本文介绍了几种典型的外骨骼穿戴式康复机器人系统,包括外骨骼上肢、下肢和手指康复系统。分析外骨骼穿戴式康复系统的结构特点和功能原理,总结外骨骼康复系统的核心技术,展望未来的发展趋势。     

新型高效电磁反力作动器的设计

针对发动机振动主动控制系统设计了一种高性能电磁反力作动器。首先简单介绍了作动器的设计要求以及结构原理,接着对作动器的磁场进行了近似计算,并将作动器的力传递模型简化为单自由度振动系统,计算了作动器的作动力。最后通过Simulink软件对其作动力进行了仿真,并以正弦信号输入对作动器的作动力进行了性能试验。结果表明作动力大,作动器性能良好,这对发动机振动主动控制系统的实现以及开展其他主动控制系统的研究具有非常重要的意义。     

基于液压伺服作动器的主动隔振系统实验研究

以两自由度系统为研究对象,设计一种液压伺服作动器及其振动主动控制系统。通过建立两自由度系统和伺服系统耦合数学模型,用传递函数分析法计算出主动隔振系统力传递率。并搭建包括上下层质量、液压作动器、液压系统、控制系统的主动隔振实验平台,探究不同激振力频率和幅值的工况下主动隔振系统的隔振效率。实验结果表明,基于液压伺服作动器的主动隔振系统能够有效降低力传递率,在不同工况下系统隔振效率可达60%～70%。     

混合型主动悬架电磁反力作动器的匹配研究

针对由电磁反力作动器与被动悬架构成的混合型主动悬架系统,建立了1/4车辆模型,在Matlab环境下计算动力吸振器分别安装在悬挂质量和非悬挂质量时的车身响应特性,以分析作动器参数及不同安装位置对平顺性的影响。结果表明:电磁反力作动器布置在非悬挂质量环节比较有利。对作用在非悬挂质量环节的作动器,以吸振器状态进行了参数优化,并就混合型悬架与被动悬架的车身幅频特性进行了比较,分析混合型主动悬架作动器与轮胎之间的力传递特性,指出用车辆不同路面下被动悬架的轮胎最大动载荷,作为选择作动器控制能力的参考依据。     

双弯曲管式螺杆型压电作动器

提出一种基于压电金属复合梁双向弯曲振动的螺杆型作动器,其压电换能器中每一个压电片都工作在Kt模态。首先,以细直梁在空间的一阶弯曲振型为基础确定了作动器结构形式;其次,对定子材料、结构参数与固有频率及端面振幅的关系进行了有限元分析,其中特别讨论了材料的参数E/ρ对一阶固有频率的影响规律;然后,根据分析结果确定了作动器结构尺寸,并试制了样机;最后,测试了样机的主要输出特性。结果表明,作动器的最佳激振频率约为15.8k Hz,启停时间在20 ms左右;在300 V驱动电压下,作动器最大空载速度为1.146 mm/s,最大轴向力为2.5 N。     

《压电堆作动器微振动控制平台控制效果评估与控制力效率分析》

微振动控制平台可安装在楼层上来消减源自地面的振动,在振动控制实验中,地面的激励无法复现,使用实验中测得的地面激励,计算隔振平台与楼层固连情况下的响应,用计算和实测平台响应的速度谱评价振动控制效果;根据实测的结构响应和压电堆作动器的力平衡方程计算作动器的实际输出力,与实测数据的对比表明,所用方法可较好地模拟作动器输出力;对比作动器输出的有效控制力和产生的电场力,讨论作动器控制力的效率。     

混合型主动悬架电磁反力作动器的匹配研究

针对由电磁反力作动器与被动悬架构成的混合型主动悬架系统,建立了1/4车辆模型,在 Matlab环境下计算了动力吸振器分别安装在悬挂质量和非悬挂质量时的车身响应特性,以分析作动器参数及不同安装位置对平顺性的影响。结果表明：电磁反力作动器布置在非悬挂质量环节比较有利,且存在一吸振器固有频率变化对车身加权加速度方均根值较小的区域。对作用在非悬挂质量环节的作动器,以吸振器状态进行了参数优化,并就混合型悬架与被动悬架的车身幅频特性进行了比较,分析了混合型主动悬架作动器与轮胎之间的力传递特性,指出用车辆不同路面下被动悬架的轮胎最大载荷,作为选择作动器控制能力的参考依据。     

肌力协同补偿的无动力下肢外骨骼设计与分析

无动力外骨骼具有质量小、代谢能耗低、基本不改变正常步态、无需外动力源和可持续工作时间长等优点，已逐渐成为新型外骨骼领域的研究热点。为提升常规无动力下肢外骨骼对步态能量的利用效率，设计了一种肌力协同补偿的无动力下肢外骨骼。首先，通过建立人体下肢动力学模型分析了行走过程中下肢能量的变化规律，得到了步态能量的储存与释放机理；然后，结合设置代起止点的折线路径及肌力贡献度，制定了关节肌肉的肌力协同补偿路径；最后，基于踝、髋关节的刚度设计了弹性储能元件，构建了一款无动力柔性下肢外骨骼，并利用OpenSim软件分析了有无穿戴外骨骼时人体下肢相关肌肉在行走过程中的代谢能耗。结果表明，在穿戴无动力下肢外骨骼时，比目鱼肌、腓肠肌和胫骨前肌的代谢能耗分别降低了31.5%，34.7%和40.0%，股直肌、阔筋膜张肌和缝匠肌的代谢能耗分别降低了36.3%，7.0%和5.0%；单个步态周期内下肢相关肌肉的总代谢能耗降低了15.5%。研究结果可为低代谢能耗的无动力下肢外骨骼的优化设计提供一定的理论依据。     

结构多轴抗震试验加载系统开发及控制策略研究

开发基于液压伺服作动器的高性能三自由度结构动力试验加载系统,该系统特点为控制精确、功能全面。建立力控制下位移加载混合控制方法,提出拟静力试验中多作动器耦合控制策略。以足尺钢结构立柱为试件,研究应用三自由度结构动力试验系统进行拟静力试验与混合试验具体方法,验证该试验系统在结构动力试验中应用的可行性、有效性。结果表明,通过对多作动器的耦合控制,该试验系统可在拟静力试验中同时实现对立柱试件恒定的竖向力控制及精确剪切型加载。通过基于α-OS法的混合试验证明该加载系统可精确模拟单柱子结构复杂边界条件,对整体坐标与作动器局部坐标变换,可实现多作动器位移协调加载。该结论可推广至多自由度试验系统研究中。     

空间引力波望远镜超前瞄准机构致动器电荷驱动位移行为研究

超前瞄准机构(PAAM)是空间引力波探测望远镜的关键部件,其主要通过给压电致动器输入电压或电荷精确控制位移量,实现对望远镜高精度角度控制。因此,压电陶瓷致动器位移响应直接影响超前瞄准机构指向控制性能。本文提出等效电容量计算方法定量分析压电致动器在电荷驱动下的位移响应特性,并通过数值模拟仿真和实验验证等方式验证了计算方法的准确性和可行性。结果表明：在使用幅值5 V、频率0.05 Hz～5 Hz的正弦波信号控制的电荷放大器驱动某型号压电致动器时,采用本文方法分析结果与实验结果相比,二者位移响应最大偏差小于1.35%,为空间引力波探测望远镜超前瞄准机构的高精度指向控制提供了可能的分析方法和实现途径。     

基于机械作动器的振动主动控制实验研究

基于一种新型的可调机械式主动消振器进行控制算法和实验研究,引入一种相位跟踪控制算法,该控制算法可自动识别系统激励力与作动器消振力的相位差,以实现最终消振目的.在实验室环境下,建立结构振动主动消振实验系统,并进行实验研究.实验结果表明,该控制算法在没有预先获得振源结构动力特性的情况下,能实现相位的在线调节,取得很好的消振效果.     

人因模拟的腰部助力外骨骼机器人舒适性设计

目的 针对腰部助力外骨骼机器人穿戴过程繁琐、身体感受不良、交互体验不佳等舒适性因素,提出一种舒适性分析评估方法和设计提升方案,为外骨骼机器人舒适性设计提供参考.方法 以Jack人因模拟软件为分析工具,模拟腰部助力外骨骼机器人使用过程,从人体模型构建、负载状态模拟、可达区域分析、视野区域分析、静态受力分析等角度,对腰部助力外骨骼机器人舒适性影响因素进行分析.基于一款腰部外骨骼机器人原型机的不舒适因素,对机械匹配尺寸、设备自重分布、绑缚结构设计、交互体验设计等方面提出优化改进方案,并对改进方案进行模拟验证.结论 可以通过人因模拟的方式,对腰部外骨骼机器人进行舒适性提升设计,改进后的腰部助力外骨骼机器人舒适性有显著提升.     

返力连杆作动器在某型民机颤振设计中的应用研究

某型民机方向舵采用返力连杆作动器,这在国内飞机设计中属首次应用。在颤振设计中,研究了其刚度特性、及对垂尾固有特性和颤振特性的影响。研究结果表明,返力连杆作动器部件之间满足刚度串联关系,通过合理的设计,保证作动器有足够的刚度,则垂尾能够在结构减重的情况下,满足运输类飞机适航标准气动弹性稳定性条款（CCAR25.629）和咨询通报AC25.629-1A规定的颤振包线要求。