在液体中运动的新型微机器人动力学模型研究

研究一种采用智能型材料驱动的、在液体中运动的新型微机器人。分析了微机器人在液体中运动时驱动翼产生的推进力和所受到的阻力，通过实验测量了微机器人实际所受到的阻力，建立了微机器人的动力学模型，并进行了相关仿真。实验和仿真表明：微机器人在液体中运动受到的阻力不仅包括迎流阻力，还包括不能忽略的液体摩擦阻力；微机器人的运动速度随着驱动翼动作频率的增大而逐步增大，但过大的驱动频率将导致微机器人不能在液体中运动；此外，液体环境对微机器人的运动具有一定的影响，但影响效果有限。     

空气阻尼对横向振动微谐振器的影响

在一维动力学模型的基础上,对横向振动微谐振器的振动性能进行了研究,并对计入空气阻尼和未计入空气阻尼两种情况进行了比较,在对空气阻尼的计算中,计入了稀薄气体效应.研究发现在低频驱动下,两种计算模型振动幅度非常接近,但是在驱动电压频率与横向振动微谐振器的固有频率接近时,两种模型振幅差别大大增加,振幅差增大的主要影响因素是空气阻尼的作用.同时发现空气阻尼对横向振动微谐振器的谐振频率影响很小.     

泳动微机器人的动力学模型研究

研究对象是以压电元件为驱动器、模仿鱼类游泳方式驱动的微机器人。根据流体力学有关理论,分析了在液体中运动时微机器人驱动翼产生的推进力和微机器人受到的阻力,并对此进行了阻力的有关的实验,在此基础上建立了泳动微机器人的动力学模型,并进行了压电元件驱动频率与微机器人运动速度的仿真,以及液体环境对微机器人运动速度影响的仿真。这些为深入研究泳动微机器人的泳动能力奠定了基础。     

基于关节阻尼的6自由度工业机器人优化分析

首先,考虑工业机器人末端振型的变化,基于“转子-扭簧”模型和有限元理论,推导出机器人柔性关节和刚柔耦合杆件部分的动力学模型,探讨关节阻尼与机器人末端振动位移之间的关系,建立关节阻尼的优化设计数学模型;然后,以机器人末端振幅为设计目标,以机器人的驱动关节阻尼为设计变量进行优化;最后,借助ADAMS软件应用该优化模型对刚柔耦合的六自由度串联工业机器人进行优化设计,并对优化结果进行比较分析,验证了关节阻尼抑制末端振动的效果,为工业机器人关节阻尼抑制末端振动提供了理论依据.     

卫星遥感器微振动隔离用液体阻尼隔振器

针对卫星平台的微振动,提出了具有良好高频衰减及共振峰控制性能的松驰型液体阻尼隔振器。建立了松弛型液体阻尼隔振模型,从传递率的角度分析了提出的松驰型液体阻尼隔振器与传统隔振模型的区别。使用波纹管提供刚度及密封,基于小孔阻尼结构形式,设计了松弛型液体阻尼隔振器并求解了系统的阻尼因子。对所设计的隔振器进行了传递率测试,结果表明,松弛型液体阻尼隔振器在共振频率处能够提供大阻尼,将共振放大倍数控制在2倍以内;在高频隔振区能提供小阻尼,100Hz衰减率超过95%,隔振性能优于传统隔振器。得到的结果和理论预测吻合较好。该项研究对松弛型液体阻尼隔振器的设计以及其在遥感器微振动隔离的应用上具有很强的指导作用。     

外场驱动无缆微型机器人的行走机理

提出了一种以管道外磁场来驱动控制微型管道机器人行走的方法，基于振动原理实现了微机器人的行走。其特点是采用无缆驱动方式，使机器人可靠性和实用性都得到提高。其原理是通过管外时变振荡磁场频率的改变，借助微机器人磁致伸缩合金微驱动器的磁机耦合作用，将时变振荡磁场能转换成机器人弹性腿的振动机械能；上下弹性腿的刚度系数不同，可将微驱动器的轴向振动转化为机器人的径向振动从而实现机器人的行走。介绍了系统组成及工作原理，对行走机理进行了基础性研究，建立了机器人运动方程。实验表明机器人系统切实可行，实现了微机器人的场外无缆驱动控制。     

积分补偿随机共振在盾构机轴承故障检测中的应用

针对盾构机轴承早期故障微弱信号难以检测识别以及小参数随机共振系统难以检测大参数输入信号的问题,提出了一种积分补偿法调节大参数以实现随机共振。首先利用积分补偿的方式将输入大频率信号频率乘以二倍圆周率得到补偿系数;其次对小频率参数系统进行相应的积分补偿,即对模型中的非线性方程进行变换并乘以补偿系数,抵消阻尼对输入信号的衰减作用,并由积分补偿方程建立新的非线性共振系统模型;最后将高频信号输入新建立的系统模型产生随机共振动态响应,并对其进行FFT变换,获得输出信号的故障信息。由此通过对振动加速度传感器采集的轴承径向振动信号分析,可以有效获得轴承故障特征频率,仿真与实验验证了理论方法的正确性。     

粘滑式压电驱动平台的复合控制

粘滑式压电驱动平台能实现高精度的大行程运动,它由微动台和滑块组成,而微动台的低阻尼振动限制了粘滑式压电驱动平台的运动速度。为了解决这一问题,提出了一种基于主动阻尼的复合控制策略(PI-DPF-FF)。首先,对输入的锯齿波信号进行滤波,使其更平滑。接着,采用时滞位置反馈控制器来主动提高微动台的阻尼,抑制振动。选用跟踪控制器和改进型零相位误差跟踪控制器来减小跟踪误差,提高跟踪带宽。最后,在粘滑式压电驱动平台的样机上对PI-DPF-FF控制器进行了验证。实验结果表明:与常规的比例积分控制器相比,PI-DPF-FF控制器将微动台跟踪带宽由32.7Hz提高到1 466.5 Hz。当系统输入占空比为0.2和频率为100 Hz的信号时,与常规的前馈控制器相比,PI-DPF-FF控制器将滑块角速度由3.52mrad/s提高到9.03mrad/s,平台运动速度有了明显的提高。     

巡检机器人传动结构机电耦合振动自动化抑制

电力线路巡检机器人巡检过程中,引起控制参数的不确定性,造成传动结构中发生机电耦合振动,影响其行进稳定性。为此,提出电力线路巡检机器人传动结构机电耦合振动自动化抑制方法。建立机电耦合动力学模型,从机械系统中分析产生振动的根本原因,通过构建的两惯性模型得到机械振动频率;将无轮廓误差的整形指令,输入到自适应数字陷波滤波器中,使用递推方法辨识陷波滤波器参数,根据陷波滤波器输出信号分析其中的耦合振动信号,以此为依据实现机电耦合振动自动化抑制。通过实验证明：抑制方法可以将控制参数的稳定范围扩大,将机器人运作全过程中振动信号能量与残留振动信号能量至少降低了1.04 J和0.9 J,且消除了轮廓误差,具有较高的应用价值。     

基于电润湿效应驱动的微泵设计与分析

利用介质上电润湿效应(ElectroWetting-On-Dielectrics,EWOD),驱动液滴在微泵泵腔内振动,再结合锥形单向流阻结构,设计出一种新型的基于EWOD的微泵;深入探讨了液滴振动的机理,并对该EWOD微泵模型进行了数值模拟。数值模拟的结果表明,提出的一种基于EWOD驱动的微泵能很好的完成泵送液体的功能,并且其泵送效率与液滴振动的频率有关。其中数值模拟的结果显示当液滴的振动频率为5, 10, 15, 20 Hz时,微泵的泵送效率与液滴的振动频率成正相关,微泵出口的压力与液滴的振动频率并无明显关系。     

基于ANSYS的搅拌摩擦点焊机器人的有限元分析

对搅拌摩擦点焊机器人建立了三维模型,在对其关键部件模型简化后,通过工程分析软件ANSYS进行了网格划分、模态分析和静力分析,得到了各部件的固有频率、振型及应力、变形分布等情况,分析结果为进一步的优化设计提供了理论依据。     

一种考虑柔性的码垛机器人动力学性能优化方法

提出一种考虑关节柔性影响的高速重载码垛机器人动力学性能优化方法。首先,考虑关节柔性的影响,建立了刚柔耦合动力学方程; 随后进行了模态分析以及受迫振动分析; 提出以最低阶固有频率最大和各关节驱动力矩基于目标轨迹上的最大值最小作为动力学优化目标; 最后构造有约束的多目标优化问题,并利用遗传算法对该多目标优化问题进行求解。优化结果表明,机器人的动力学性能明显改善,说明优化方法合理有效。     

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。     

外场驱动无缆微机器人的仿生游动特性

研制了以NdFeB为驱动器的仿生游动微型机器人,其作业原理是通过改变时变振荡磁场的驱动频率,媒介于嵌入机器人头部NdFeB的磁机耦合作用,将时变振荡磁场能转换成机器人头部摆动的机械能,再带动铜薄膜尾鳍产生波动并与液体耦合产生推力。由于NdFeB为非接触式驱动,因此机器人的驱动不需要电缆。基于固定端摆动悬臂梁模型,建立了机器人尾鳍受迫振动波动方程和基于仿生游动原理的推力计算模型,以尾鳍波动的前三阶谐振模态为输入对其产生的推力进行了计算,得出了尾鳍各阶谐振模态与推力的关系,试验验证了理论分析的正确性,表明无缆驱动控制仿生游动微型机器人的方案切实可行。     

振弦式陀螺频率检测结构设计与振动分析

针对微陀螺高精度和微型化的发展趋势,依据振弦式陀螺的工作原理建立了振弦式陀螺频率检测数学模型;应用ANSYS软件分析了陀螺检测结构参数影响,优化了振弦式陀螺整体结构并建立了振动响应仿真分析。结果表明振弦式陀螺驱动结构振动响应随着驱动力的增大,驱动响应位移量也随之增大,且驱动力与位移量之间具有很好的线性关系,可以很好地控制振弦式陀螺框架驱动力,优化振弦式陀螺结构尺寸,从而验证了振弦式陀螺电磁驱动与频率检测方案模型的可行性。     

干气密封滑动密封端面高频微幅摩擦振动研究

为揭示干气密封端面间摩擦振动规律,通过对密封端面在干摩擦状态下的微观形貌与受力进行分析,基于分形理论构建包含分形参数的密封端面法向位移激励,以及干气密封在干摩擦状态下的两自由度摩擦振动系统模型,并对摩擦振动系统模型的影响因素进行数值分析.研究结果表明:法向振动位移和速度随着分形维数与转速的增大先增大后减小;密封环面分形...     

利用体块PZT制备膜片式压电微泵

利用锆钛酸铅(PZT)的逆压电效应,设计并制备了膜片式压电微泵。通过将电能转换为机械能,实现了液体的微流体控制。微泵由微驱动器与单向微阀两部分组成;微驱动器主要为液体流动提供驱动力,单向微阀则用于精确控制液体的流动方向。通过对PZT-Si膜片的位移量、位移形状的仿真分析,确定了微驱动器的设计尺寸,并估算其液体驱动性能。利用共晶键合工艺、研磨减薄工艺、硅深反应离子刻蚀工艺和准分子激光加工工艺等制备出了微驱动器和单向微阀。最后,设计了驱动测试实验,检测了微泵的液体驱动性能。测试结果表明:所制备的膜片式压电微泵驱动的谐振频率约为70kHz,能驱动微米量级的液体位移或运动。当微泵驱动电压为30Vp-p、频率为600Hz时,液体的驱动流速约为65μL/min。该微泵具有体积小,线性度好等特点。     

球面二自由度冗余驱动并联机器人系统动力学参数辨识及控制

以伺服电机驱动的球面2-DOF冗余驱动并联机器人为研究对象,首先,建立了机构惯性参数辨识模型,并规划了惯性参数辨识轨迹;其次,建立了机构运动副摩擦参数辨识模型和驱动系统的摩擦参数辨识模型,分别分析了二者的辨识原理,并规划了摩擦参数辨识轨迹;再次,通过辨识实验得到了机构惯性参数、机构转动副摩擦参数和驱动系统摩擦参数的辨识结果,利用辨识结果对原机构参数进行修正,获得了更为准确的机器人系统动力学模型,并通过轨迹测试实验,对辨识结果进行了验证;最后,制定了基于机器人系统动力学模型的前馈控制策略,与传统的机构运动学闭环控制策略进行实验对比,验证了该控制策略的可行性。