可重构磁耦合推进水下机器人设计与性能评估

为了经济高效地实现矢量推进,提高水下机器人的机动性能,设计了一种新型矢量推进水下机器人。该机器人采用两个可重构磁耦合推进器作为推进系统的主动力单元,每个推进器都具备两个自由度的矢量重构能力,相较于传统水下机器人,拥有更高的可操纵性和灵活性。本文通过建立推进系统模型,完成了机器人的运动规划,并利用测力实验装置,对机器人的动力性能进行了评估。在此基础上,对机器人进行了前进、偏航、上浮、下潜等多自由度的运动控制实验。实验结果表明,该机器人能够高效地实现多个自由度的运动,新型可重构磁耦合推进器能够稳定的提供矢量推力,验证了该设计方案的可行性。     

液压推进型水下机器人的运动控制方法研究

针对液压推进型水下机器人的定向控制问题,对液压推进器的比例滞环、机器人多自由度运动模型、控制器设计等方面进行了研究,提出了液压推进器转速PI控制与ROV定向PID控制相结合的控制方法;在Matlab/Simulink中建立了海马号水下机器人的六自由度动力学模型,并设计了带螺旋桨转速PI闭环的定向控制器;该定向控制器包括控制手柄输入、定向PID控制器、推力分配及合成矩阵、螺旋桨转速PI控制器等,利用仿真试验模型对控制器进行了抗干扰测试。仿真结果表明:所提出的复合PID控制器可显著减小由于液压推进器推力不一致引起的定向角度控制误差,具有比常规PID控制器更好的控制性能。     

水下机器人运动控制仿真研究

设计了一种水下机器人,它由防水基体、螺旋桨推进器和伺服电机组成。姿态传感器用于采集水下运动的姿态信息,通过单片机控制系统,采用PID算法调节螺旋桨推进器的角度,完成水下机器人的前进、后退、升降、转向等动作,采用Arduino微控制器平台对直流电机速度、伺服电机位置进行控制。仿真实验结果表明:该控制器可以有效地对直流电动机转速、伺服电机位置进行控制。     

水陆两栖六足机器人的设计与性能评估

为提高机器人两栖环境下的运动性能,同时降低其运动机构在水陆间切换的机械复杂性与控制难度,提出了一款复合运动肢的水陆两栖六足机器人。对机器人进行陆地和水下的运动规划,解决了机器人适应不同坡度斜坡地形的稳定性问题;通过配置矢量推进器的位姿,实现了机器人多自由度的水下运动。ADAMS下机器人爬行运动的仿真结果在验证机械设计合理的前提下也表明机器人在不同坡度的斜坡爬行具有较好的稳定性。为进一步评估机器人的运动性能,搭建了机器人样机,在测试机器人斜坡爬行性能的同时,验证了机器人在水下可实现包括直行、旋转、上浮和下潜的多自由度运动。实验结果表明,机器人在陆地与水下均具有良好的运动性能。     

基于可旋转推进器的水下机器人运动控制研究

通过对水下机器人在运动过程中的受力以及力矩分析,水下机器人采用可旋转推进器,所以要实现六自由度的运动只需要4个推进器,采用推进器布局。建立了基于可旋转推进器的水下机器人六自由度运动方程,并有针对性的对六自由度运动方程进行了简化。水下机器人运动控制的分析离不开动力学模型,所以对其进行受力和力矩分析是必要的。在简化的运动方程的基础上设计了运动控制系统,并使用Matlab对其进行仿真验证。     

Delta型全方位推进器调距机构设计与分析

全方位推进器通过调距机构使叶片螺距角发生周期性调整,进而产生全方位推力,它能够给水下机器人提供很好的操纵性以便高质量地完成水下勘测任务。文中提出了一种新型的Delta型偏心盘调距机构,它由两个Delta并联机构和分布在3条支链上的3个空间四杆机构组成,通过Delta机构控制偏心盘的3个移动自由度来实现叶片螺距角的周期性调整。此调距机构具有刚度大、运动精度高、动力学性能优良、质量轻、结构紧凑、空间布局合理的优点。采用矢量法与几何法相结合的方法对调距机构进行了位置正反解,分析了偏心盘的运动区间和叶片螺距的可调范围,验证了叶片螺距角周期变化规律为简谐规律,并建立了预设叶片螺距变化规律与偏心盘位移之间的关系。     

一种基于新型球形螺旋桨的爬墙机器人

为解决高层建筑墙面检测维修困难以及现有爬墙机器人灵活性差、反应速度慢等问题,设计了一种以STM32单片机为嵌入式控制系统核心,利用多自由度球形螺旋桨产生斜推贴附力的爬墙机器人,并进行了验证可行性分析。最终得知,该种爬墙机器人的球形螺旋桨能够多自由度转动,所产生推力可朝空间任意方向;该螺旋桨推力可分解为3个空间分力,与摩擦力、支持力和尾翼推力相平衡,保证机器人整体力矩为零不倾覆,可沿墙面稳定自由行走。     

基于AVR单片机控制的水下推进器设计

为了保证水下机器人能够快速有效地执行指定的任务,性能优良的推进系统是必不可少的。设计了一种高效率的导管螺旋桨水下推进器,采用三维造型软件SolidWorks设计推进器整体结构,运用ANSYS对推进器外壳进行静力分析,以校核推进器壳体的结构强度,利用ATmega 16单片机实现对螺旋桨推进器的运动控制,最后通过水下实验对推进器的运动和密封性能进行了验证。     

水下机器人动力学分析与控制系统研究

对6自由度水下机器人进行动力学分析和运动控制系统研究。首先,建立了水下机器人坐标系,考虑重力、浮力、水动力及推力等因素对水下机器人影响,建立了6自由度水下机器人的动力学模型,进而描述了水下机器人的复杂运动。在此基础上,设计了一种模糊逻辑控制器,对水下机器人进行运动控制。通过计算机仿真分析,验证了控制方法的有效性,对后续水下机器人控制系统的进一步研究,提供了依据和参考。     

自补偿式水下推进器的设计及其密封和水动力性能研究

针对小型水下机器人推进器效率低、抗压能力弱的问题,设计一种小型自补偿式水下推进器。该推进器采用油囊的密封方式,利用内外压差进行油液的自我补偿,避免了因油液轻微泄漏导致整个推进器失效的情况发生,保证推进器使用的可靠性。对自补偿模块的密封性能进行有限元分析以及对推进器的水动力性能进行计算仿真,并进行压力与推力实验测试。测试结果与仿真结果均表明,设计的自补偿式水下推进器具有良好的密封性能和水动力特性,验证了设计的可靠性。     

永磁齿轮的研究及其在磁性联轴器上的应用

永磁齿轮作为非接触传动机构的一种类型,其主动磁轮与从动磁轮之间没有物理接触,而是通过磁场间相互耦合作用产生的磁力来实现力矩和功率的传递。文章采用有限元法建立了永磁齿轮的模型,通过有限元分析软件ANSYS对齿轮进行磁场分析,可以为磁性齿轮系统的动态设计提供参考,同时也为磁性齿轮在磁性联轴器上的应用提供了基础。     

不同水下仿生推进器性能影响的比较

各种模拟鱼类游动的水下仿生推进器,较传统的螺旋桨推进器有着低噪音、低扰动、高效率等突出优点。决定仿生推进器各个性能的重要因素之一,就是仿生推进器内部运动和动力的传动方式。比较分析了采用功能材料驱动、摆动舵机直接驱动、旋转伺服电机加运动变换机构驱动、液压传动等不同传动方式下仿生推进器的结构特点、运动自由度、推进性能,以及适应负载变化的特性,最后指出液压传动是一种综合性能较好的传动方式。液压传动的仿生推进器初步试验表明,该传动方式的结构简单紧凑、驱动能力强、可移植性好、具有优良的动力特性,有着广阔的应用前景和研究价值。     

一种锥形定转子交直流磁轴承建模与耦合特性研究

为简化三自由度轴向-径向磁轴承结构,减小轴向长度和提高系统临界转速,设计了一种新型三自由度交直流轴向-径向混合磁轴承。该磁轴承定子采用两片式六极结构,分隔式锥形磁极与圆锥形转子均有30°锥角,磁场对圆锥形转子产生的磁吸力在轴向和径向方向上均有分量,实现了利用同一工作气隙同时控制圆锥形转子在轴向和径向3个自由度的悬浮。论文介绍了三自由度锥形定转子交直流混合磁轴承基本结构及悬浮力产生的工作原理,用等效磁路法对永磁和励磁混合磁轴承的磁路进行了分析,推导出了悬浮力数学模型。利用Matlab工具对磁轴承各变量之间的非线性关系和各自由度之间运动、磁路之间的耦合特性进行了计算和分析,并对各自由度之间的电磁耦合特性及各变量之间的非线性关系用ANSOFT软件进行了有限元分析验证。理论分析和仿真结果表明:该磁轴承各自由度在平衡位置附近时运动和磁路之间没有耦合,各变量之间具有良好的线性关系,对各自由度可采用分散独立的PID控制实现磁轴承的稳定悬浮。     

调磁环材料性能对永磁齿轮损耗的影响研究

磁场调制型永磁齿轮作为一种新型永磁变速装置,易产生较大磁场损耗,降低永磁齿轮工作效率,限制其传递能力的进一步提升。提出整体成型动力传动式调磁环提高了扭矩传动能力,建立调磁环三维模型开展了强度、刚度和损耗计算,并结合永磁齿轮性能测试分析了调磁环骨架材料和调磁极片材料的损耗,研究三种不同调磁环承载骨架材料参数对永磁齿轮损耗和效率的影响,对永磁齿轮参数进行优化并确定最优扭矩骨架承载材料。结果表明,特种工程塑料调磁环骨架材料能大幅降低永磁齿轮损耗,有效提升传动效率,永磁齿轮实测传动效率可达93.8%。     

Development of a two-dimensional dual pendulum thrust stand for Hall thrusters

A two-dimensional dual pendulum thrust stand was developed to measure thrust vectors [axial and horizontal (transverse) direction thrusts] of a Hall thruster. A thruster with a steering mechanism is mounted on the inner pendulum, and thrust is measured from the displacement between inner and outer pendulums, by which a thermal drift effect is canceled out. Two crossover knife-edges support each pendulum arm: one is set on the other at a right angle. They enable the pendulums to swing in two directions. Thrust calibration using a pulley and weight system showed that the measurement errors were less than 0.25 mN (1.4%) in the main thrust direction and 0.09 mN (1.4%) in its transverse direction. The thrust angle of the thrust vector was measured with the stand using the thruster. Consequently, a vector deviation from the main thrust direction of +/-2.3 degrees was measured with the error of +/-0.2 degrees under the typical operating conditions for the thruster.     

全永磁驱动带式输送机控制策略及动力学行为

针对传统异步电机驱动和液压绞车张紧带式输送机存在的传动效率低、运行维护困难、张紧响应慢等问题,设计了一种集永磁电机直驱与永磁张紧于一体的全永磁驱动带式输送机,制定了全永磁驱动系统矢量控制策略与机-电耦合动力学模型;利用Matlab/Simulink建模仿真与煤矿井下现场试验相结合的方法,研究了全永磁驱动带式输送机在空载启动、满载启动、变载运行等工况下的矢量控制策略与机-电耦合动力学行为。结果表明：全永磁驱动带式输送机在多种工况下均能实现转矩与转速的快速响应和动态调节,具有良好的动态特性;多台电机间可维持功率平衡与同步传动,具有较强的抗干扰能力;永磁张紧装置可以实现张紧力动态调节,有利于提高带式输送机驱动效率、张紧响应速度以及整机协调可控性;全永磁驱动系统可实现对带式输送机的智能驱动与动态张紧,在机-电耦合动力学行为仿真试验与现场试验中得到的电机动态特性规律基本一致,表明其可满足煤矿井下带式输送机实际工况需求,具有较高的推广应用价值。     

外场驱动血泵磁力耦合传动受力分析

根据外场驱动血泵耦合传动时磁场动态分布,引入磁心概念。采用解析方法对径向充磁磁齿轮在传动过程中径向受力及传递扭矩变化规律进行分析,建立了计算磁齿轮啮合传动时径向耦合力及传递扭矩的数学模型。结果表明,外场驱动血泵在啮合传动过程中,径向力和传递扭矩均是周期变化的。     

基于人工免疫反馈的自治水下机器人推力器控制

推力器是水下机器人系统的关键要素,其推力建模和控制是进行水下机器人控制和仿真的核心。针对简化的自治水下机器人(Autonomous underwater vehicle,AUV)推力器控制系统的推力响应实时性不高和抗干扰能力不强的缺点,提出一种基于人工免疫反馈的AUV推力控制方法,该方法不受推力器水动力试验和理论计算的困难性的缺点影响,具有较好的实时性和鲁棒性,可为AUV运动控制、状态响应、控制系统开发等提供控制方法。针对流线型AUV原型样机CRanger-2,在简化推力模型的分析基础上,利用该控制策略,建立推力实时调试系统,在不同大小推力和不同干扰情况下进行推力控制仿真分析,得到推力器推力的控制响应曲线。通过对无刷直流电动机进行控制进行验证,结果表明该控制策略能有效地控制推力器推力,可为工程实践提供参考依据。     

筒式永磁调速器的磁场分析与特性研究

永磁调速器通过调节永磁转子和导体转子的相对位置来实现离心式负载速度的调节和电机的节能,是一种新的调速设备。为了深入研究筒式结构永磁调速器的磁场及机械特性,基于三维运动涡流场,建立了筒式永磁调速器的有限元模型,并对其磁场进行了瞬态分析,得出了筒式永磁调速器的磁场和涡流分布情况,以及输出功率和转矩随转差率和啮合面积的变化曲线。分析结果与试验结果的对比验证了有限元分析方法的正确性。     

永磁齿轮转矩特性研究

计算了新型传动机构永磁齿轮传动机构的磁场,根据从动轮处于不同位置时的转矩曲线和传动机构负载线,分析了转速变化。对主动轮和从动轮同步旋转进行计算,得出从动轮力矩变化曲线,分析了力矩波动与两齿轮相对磁极轴线夫角关系。最后对传动机构进行了实验验证。研究表明,该传动机构转矩波动很小,具有优异的传动性能。