新型SMA纤维驱动器的结构、建模与仿真

介绍了一种新型的形状记忆合金 (SMA)纤维驱动器 ,这一驱动器由预压缩弹簧连接的若干圆盘构成 ,圆盘周围对称编织多根 SMA纤维。依靠 SMA纤维的相变回复力与压缩弹簧的弹力完成驱动器的往复动作。这一结构有效地克服了 SMA的主要缺点 :形变较小 ,使驱动器的力与位移之间的转换更加高效。还给出了一种仿真模型 ,可以评价一给定驱动器的特性 ,同时也可在给定驱动器的力、位移、速度等条件下决定该驱动器的几何结构。最后 ,对单个驱动器与差动排列的驱动器对的实验和仿真结果进行了分析     

可调偏置式SMA双程驱动器设计及驱动特性分析

偏置式SMA弹簧双程驱动器的驱动弹簧和偏置弹簧一旦确定,则驱动器的工作温度就无法改变。针对这一缺点,设计了一种通过调节偏压力来改变工作温度的可调偏置式SMA双程驱动器。基于Brinson一维本构模型得到SMA弹簧理论模型,并结合弹簧受力变形分析设计了SMA弹簧和偏置弹簧。仿真得到SMA弹簧刚度-温度、驱动器位移-温度、驱动力-温度变化曲线,并对不同偏压力下驱动力随温度变化关系进行研究,结果表明所设计的驱动器可实现双程运动,调节偏压力可有效改变驱动器的响应温度。     

SMA柔性扭转驱动器的结构设计与优化研究

设计了一种基于柔性结构的SMA扭转驱动器,通过加热SMA丝收缩带动柔性结构变形从而实现驱动器的扭转输出。柔性结构在SMA丝拉力作用下的变形情况对驱动器的转角输出有很大的影响,为获得最大的输出转角,需对柔性结构的形状和SMA丝的作用点位置进行优化设计。采用三次B样条曲线描述柔性结构的形状,通过有限元法分析柔性结构的变形,并应用遗传算法进行柔性结构的形状优化和SMA丝作用点位置优化。实际算例表明,利用优化方法可快速有效地获得使SMA柔性扭转驱动器输出转角最大的柔性结构形状与SMA丝作用点位置。     

一种偏心拨杆数字阀用位置伺服控制驱动器的设计

为解决传统数字阀驱动复杂、可靠性低、控制驱动器体积大等问题,设计了一种偏心拨杆数字阀用位置控制驱动器.该控制驱动器以STM32F103RET6作为控制核心,以LMD18200智能模块作为驱动单元,采用模拟霍尔位置传感器检测电机转角位置,通过控制有限转角电机,进而实现对偏心拨杆数字伺服阀的驱动.介绍了伺服系统的总体方案、...     

三自由度绳牵引平面并联机器人力/位控制研究

针对三自由度平面绳牵引并联机器人在如何保持一定绳张力的条件下实现位置控制的问题进行了仿真研究.利用牛顿-欧拉法建立了机器人的包括电机在内的动力学方程.考虑到系统正常工作时绳需要具有一定的张力,给出了力分解模型,提出了一种力/位并行控制策略:力回路用于控制绳的张力大小,位置回路用于实现末端轨迹跟踪.最后对机器人控制系统进行了仿真分析,仿真结果表明,该控制策略不仅能够解决绳的张力问题,而且满足对轨迹跟踪要求.     

基于DSP LF2407A的啮合式微型电机控制驱动器

啮合式微型电机是一种新型电机,作为一种与磁阻电机类似的电机,其控制驱动需要专门的控制驱动器实现。文中介绍了一种基于DSP2407的适合于啮合式微型电机的控制驱动器,利用该控制驱动器实现了啮合式微型电机的斩波恒流驱动、细分驱动控制。     

一种抗冲击柔性关节的设计及仿真分析

针对机械臂工作环境的动态变化以及人机交互安全性问题,设计了基于被动柔顺结构和主动柔顺控制的抗冲击柔性关节。在关节电机和负载之间加入串联弹性驱动器,并且设计了一种新型扭转弹性体作为弹性元件来代替传统扭簧。建立了柔性关节动力学模型,基于关节的多传感器感知能力制定了阻抗控制策略,最后对关节虚拟样机进行ADAMS/Simulink联合仿真来验证控制策略的可行性,结果表明该柔性关节具有良好的力顺应性和抗冲击特性,可以实现与环境之间的安全交互。     

基于位移累加原理的SMA直线电机

针对航空航天等领域(如变后掠翼无人机)需要大推力、长行程、高功重比的驱动器,提出一种用形状记忆合金片(SMA)驱动的直线电机,利用位移累加的原理,能够获得较大推力,并具有较长的行程。与同样功率的传统驱动器相比,形状记忆合金智能驱动器有着推重比高,传动系统易于操作,结构简单,重量低等优势。     

基于形状记忆合金的自主导管导向机器人设计

为提高血管介入手术的成功率和安全性,研制一种用于控制自主导管的由多个形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)驱动器驱动的多节蛇形结构导向机器人。针对SMA驱动的导向机器人结构和原理,提出偏置弹簧尺寸参数的估算方法,使用大挠度理论对导向机器人进行运动学分析,通过积分变换推导出SMA驱动器在已知导向机器人弯曲角度和方向下的输出力和位移,给出精确的导向机器人前端中心位置坐标。在此基础上,进一步推导SMA驱动器的尺寸参数设计计算公式,提出一套系统的导向机器人设计理论方法。利用提出设计方法研制导管导向机器人样机,并在血管模型中成功地进行模拟介入手术试验。研究成果为导向机器人的设计和分析提供了数学模型,完善了导管导向机器人的设计方法和理论。     

应用形状记忆合金的太阳帆板的振动控制

以挠性航天器的太阳帆板为研究对象,在建立挠性系统动力学模型的基础上,采用滑模变结构控制策略进行挠性航天器太阳帆板的振动控制,同时在帆板上植入SMA丝形成驱动器,并采用经典线性最优控制算法控制SMA驱动器。仿真结果表明,这样的控制规律有效抑制了帆板的振动。     

插接管道焊缝扫查机器人的位置/力控制

为了使机器人的超声探头能够紧密贴合被检管道表面,设计了一种被动柔顺性末端执行器,并提出了一种被动关节与主动关节分离的外环混合位置/力控制策略,进行了位置/力控制仿真。确定了被动柔顺性末端执行器微动位置调整与主动关节输出变量之间求解关系,建立了理想状态下的准静态力学控制模型,理论上证明了位置偏差和力偏差均可通过主动关节的控制得到有效消除,保证控制精度。仿真研究了分度角分别为0、30°、60°与90°所对应的圆、椭圆及直线的截面线轨迹扫查情况。结果表明在各种情况下的位置与力控制都收敛并满足精度要求,从而证明了所提出的被动柔顺关节外环位置/力控制策略是有效的。     

基于增量非线性动态逆的液压执行器力控制策略研究

针对液压执行器力控跟踪要求高度的非线性及不确定性的动力学模型问题,导致液压驱动系统高精度运动控制存在困难,提出采用一种基于传感器的增量式非线性动态逆控制方法来解决液压执行器的力跟踪问题。建立液压执行器动力学模型,理论分析了INDI控制策略在力控制模型上具有稳定性好、抗干扰能力强、系统标定范围大的优势。利用该控制器压力差导数作为反馈,不依赖于精确的液压执行器数学模型和参数标定,对模型不确定性具有固有的鲁棒性。仿真试验和理论分析表明: 采用高频率采样的INDI控制器力跟踪误差始终稳定在6%左右; 最大跟踪误差也不超过8%;对参数不确定性具有极强的鲁棒性。     

气动人工肌肉驱动器的动态跟随控制研究

研究了气动人工肌肉驱动器的动态位置跟随控制技术,构建了控制实验系统,设计了控制系统软件,并运用BP神经网络PID控制算法对其进行实验控制研究。实验结果表明,能够较好地实现气动人工肌肉驱动器的位置定位控制和动态跟随控制。     

比例电磁式主动吸振器的设计方法研究

以电磁铁为作动器,开展了电磁式主动吸振器设计方法的研究。对主动吸振器电磁作动器进行了设计研究,针对基于E型电磁作动器的主动吸振器具有非对称驱动力的问题,设计了一种具有盘形磁极面的比例电磁作动器。采用有限元和试验验证的方法,对电磁作动器在不同磁极面结构参数组合下的电磁力进行了正交仿真计算和验证,以在一定的动铁心位移范围内电磁力波动最小为目标,获得了最优组合的磁极面结构参数。对主动吸振器动质量的动态位移进行了计算分析,并基于主动吸振器的工作频带和目标驱动力,设计了动铁心的静平衡位置。计算了主动吸振器设计刚度值,并分析了刚度参数对吸振器电磁力特性的影响。最后,结合理论计算和试验验证的方法,分析了比例电磁式主动吸振器近似对称的驱动力特性。     

基于内置力执行器的铣削颤振的主动控制

高速加工中铣削颤振不仅降低工件的表面加工质量,严重时还会造成刀具或者其他加工部件的损坏,因此对电主轴铣削颤振进行控制具有重要的意义。为对电主轴铣削过程中的颤振进行有效控制,在双绕组无轴承感应电动机的基础上,提出一种具有内置力执行器的感应型高速电主轴结构,建立电主轴—刀具系统的有限元模型、动态铣削模型、双绕组感应型电主轴电磁力模型,在对具有内置力执行器的感应型高速电主轴电磁力进行解耦后,提出基于内置力执行器的电主轴铣削颤振的主动控制方案,通过仿真分析控制器的主要参数对电主轴铣削稳定性的影响。结果表明采用具有内置力执行器的感应型高速电主轴能够有效地提高电主轴铣削的稳定区域以及在抑制铣削颤振方面具有明显效果。     

闭式泵控新型液压-机械执行器位置控制特性

滚珠丝杠具有高精度、阻力小、效率高等优点,是工业上常见的变回转运动为直线运动的执行机构。为使其充分结合液压系统功重比大的特点,提出了一种新型的液压-机械执行器系统,该系统在电动缸的基础上,采用液压马达替代电动机驱动滚珠丝杠,并推导出其数学模型。在多学科仿真软件SimulationX中建立了该系统的物理模型,对系统的闭环位置控制特性进行了仿真研究。结果表明:闭式泵控新型液压-机械执行器系统可以实现快速、准确、稳定的位置控制;当正弦信号的幅值为50 mm时,系统的带宽为0.52 Hz;系统具有良好的抗负载干扰能力。     

新型复合式电磁直线执行器的多模式协调控制

针对常规动圈式电磁直线执行器存在的力密度不高、缺乏端部无源自保持能力等不足,提出了一种新型复合式电磁直线执行器。根据其结构特点建立数学理论模型,分析了具有高驱动能力的协同驱动模式和具有低能耗特点的单独驱动模式,结合逆系统与前馈+PI反馈算法设计了多模式协调控制器。利用MATLAB/Simulink建立仿真模型,并搭建了样机试验平台,通过仿真与试验验证了协调控制方法的有效性。结果表明：不同驱动模式下执行器动态特性良好,位移控制误差小于±0.02 mm,具备端部无源自保持力229.3 N;协同驱动模式下驱动力可达574.9 N,开启过渡时间为4.8 ms,单独驱动下开启过渡时间为6.9 ms。     

黏性流体环境中压电宏纤维致动柔性结构的流固耦合振动特性及试验

柔性结构与周围流体的耦合作用机制广泛应用于仿生机器人、水下航行器、精密仪器及生命医疗等领域。具有驱动变形大、防水性好且柔韧性好的压电宏纤维（Macro fiber composite,MFC）致动器是水下柔性结构变形控制的首选。建立MFC内部致动弯矩和水动力载荷共同作用下柔性结构的流固耦合动力学模型。对粘贴MFC致动器的柔性结构特征截面进行计算流体动力学（Computational fluid dynamics,CFD）分析,得到不同振动特征频率下柔性结构周围流场、压力分布及所受水动力载荷,分别拟合得到MFC致动柔性结构水动力函数的实部和虚部表达式。结果表明柔性结构水动力载荷的附加质量和阻尼效应都随着振动频率的增加而减小。在等振动特征频率下,MFC致动梁结构水动力函数的实部大于匀质等截面梁的实部;在高振动频率下其水动力函数虚部同样大于匀质等截面梁。试验测试了MFC致动柔性结构的水下振动特性,试验所得MFC激励下柔性结构末端稳定振动的幅频特性和相频特性与建立的耦合动力模型相吻合,证实了所建立MFC致动柔性结构的水动力函数及流固耦合振动模型的有效性。     

某型单向阀打开过渡过程特性对流阻性能影响的仿真分析

基于CFdesign软件提供的计算模型和方法,利用动网格数值模拟技术,对飞机燃油系统常用的具有开启压力要求的某菌状型单向阀进行了试验和动态数值模拟。试验和仿真结果表明:阀芯能否打开运动到最大开度位置并保持稳定,与单向阀内提供开启力的弹簧力值和刚度、阀芯形状和内部固有流道有着密切关系。     

车辆电动静液压主动悬架内模PID控制研究

为了降低响应时间对基于电动静液压作动器(Electro Hydrostatic Actuator,EHA)的主动悬架动态性能的影响,设计了EHA主动悬架的内模PID控制器。建立了EHA作动器的动态数学模型,在对作动器高阶模型进行一阶简化的基础上,设计了内模控制器;通过对该控制器进行泰勒级数一阶展开,导出了PID控制器的参数表达式,并整定了PID参数。搭建了EHA主动悬架的内模PID控制仿真模型,并进行了仿真分析。结果表明,内模PID控制能使EHA作动器输出的主动力在响应时间上得到较好的控制,明显改善了主动悬架的动态性能。