基于半圆形柔顺腿的六足机器人研究

由于足式机器人具有适应复杂地形的应用潜力,近年来受到了国内外研究人员的广泛关注。首先,设计了Rhex机器人的本体结构,其突出特点是具有半圆形柔顺腿,该腿有一个关节,由一个直流电机驱动,结构简单,控制方便。其次,建立了Rhex的SLIP动力学模型,该模型将腿等效为弹簧倒立摆,通过规划髋关节的输出特性,驱动Rhex运动。最后,通过单腿跳跃仿真实验验证了SLIP动力学模型的正确性和有效性。     

Stiffness characteristics of compliant three segment leg with the self-stable region in slow and fast running

In this paper, we propose the stiffness characteristics of compliant three segment leg that can have a self-stable region in slow and fast running. This proposition can contribute to reducing the control effort and enhancing the locomotion energy efficiency for the compliant three segment legged robot in slow and fast running. Previous research indicated that the running self-stable region of the spring-mass system is located in a relatively fast running region and that of the two segment leg is located in a relatively slow running region. In this paper, we analyze the stiffness characteristics of the spring-mass system and the two segment leg to explain the previous research results. From this analysis, we propose the stiffness characteristics of the compliant three segment leg with a self-stable region in slow and fast running. We further design the compliant three segment leg based on this proposition and check its structural stability. We examine the running self-stable region of this compliant three segment leg to determine whether it has a self-stable region in slow and fast running. We also examine the walking self-stable region of this compliant three segment leg.

     

弹性约束下颗粒碰撞阻尼器的理论与实验研究

为进一步研究弹性约束颗粒碰撞阻尼器的减振性能,提出了该阻尼系统的动力学模型,并模拟了该阻尼器对悬臂梁的减振效果。同时,对5种不同刚度的弹性约束颗粒碰撞阻尼器的减振效果进行了实验研究。结果表明：理论计算与实验的结果基本吻合,证明所建立的弹性约束下的颗粒碰撞阻尼系统的计算模型是可靠的;在弹性约束下的颗粒碰撞阻尼系统中,其刚度比对减振效果的影响是非线性的,且弹簧刚度对该碰撞系统的共振点存在影响。     

Compensation of nonlinear dynamics for energy/phase control of hopping robot

Hopping height control is one of the difficult problems in legged control. Many kinds of research employ a leg spring for the supplement of energy, and model the robot as a spring-mass model. Feedback linearization enables to cancel the nonlinear terms theoretically. However, it is difficult to identify the nonlinear terms including the parameters precisely in the real world.This paper nominalizes the robot dynamics as the desired spring-mass system applying a disturbance observer. In order to realize the desired characteristics of the spring and the mass, the disturbance including the nonlinear terms is rejected firstly by a disturbance observer. To make the mass in the workspace as constant, the nominal inertia of the disturbance observer in the joint space is varied. Next, by adding the desired virtual elastic force, the robot dynamics is nominalized as the desired spring-mass system.Based on the nominalized spring-mass dynamics, hopping-height control using energy/phase control is implemented. While energy control is often used for hopping height control, the energy/phase control enables the hopping-height control and the spring-mass oscillation simultaneously.Constant hopping-height and stepwise hopping height are realized experimentally through the proposed control method. The simulations in the case of the ideal dynamics are also conducted for comparison.     

一种被动缓冲型腿机构及其缓冲特性分析

针对隔离着地冲击的需要,为步行机器人设计了一种由连杆、线性拉伸弹簧和线性阻尼器构成的被动缓冲型腿机构,根据该机构的几何关系导出其等效刚度,并且给出了机构个别参数对刚度的影响。利用数据拟合将该等效刚度分段表示为三次非线性刚度和线性刚度;然后利用数值方法得到了缓冲过程的位移响应和加速度响应;最后分别比较了具有分段非线性刚度、三次非线性刚度和线性刚度的腿机构缓冲系数。结果表明,在最优阻尼比的情况下,具有分段非线性刚度的腿机构能够获得最小的缓冲系数,从而为实现步行机器人的快速步行和控制提供了理论依据。     

轴承非线性特性对摆线针轮减速器传动效率的影响分析与参数确定

为构建考虑轴承接触弹性的摆线针轮传动效率理论计算方法，并揭示轴承非线性刚度的影响机制，提出一种耦合摆线轮设计参数、接触载荷及轴承参数的传动效率理论模型。该模型考虑了输入轴与摆线轮的轴承弹性，并引入非线性的轴承刚度。采用牛顿法建立摆线轮受轴承弹性力、惯性力及接触载荷时的动力学微分方程，求解该方程得到轴承弹性位移，并将其与轴承刚度参数纳入传动效率计算模型。通过对比分析不同轴承刚度参数和运行工况下的理论传动效率，并利用理论计算效率与实验测定值的差异，对理论模型加以修正并迭代计算，从而拟定轴承参数。分析表明：轴承刚度指数较小时传动效率受运行速度和负载影响很小，轴承刚度指数较大时传动效率随着负载增大而提高；拟定刚度模型具有合成效应且给定合理参数下所得传动效率与测试值大致相符，可为摆线针轮传动效率评估提供高效且准确的理论方法。     

重型越野车辆油气弹簧设计与验证

为了满足重型越野车辆对大行程弹性元件的要求,创新设计了一种双气室油气弹簧。根据结构和工作特性,建立了两种工作状态下的油气弹簧数学模型,并分析了其刚度特性。加工油气弹簧样件,进行台架试验,获得了不同频率下的油气弹簧作用力和位移数据。分离弹簧作用力中静摩擦力、阻尼力和弹性力。利用弹性力和位移数据,通过曲线拟合方式,识别油气弹簧工作气体不同工况下的多变指数。设计的双气室油气弹簧结构、油气弹簧理论模型,对油气弹簧在大行程越野车上的应用提供了支撑。     

基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节设计与分析

为满足足式机器人跑跳等动态运动对关节柔性及其变刚度特性的迫切要求,借鉴生物关节柔性特征与主被动刚度调节机理,创新地提出了一种基于凸轮机构的新型变刚度仿生柔性关节。基于关节刚度特性分析,构建了关节整体刚度模型,并针对影响关节刚度特性的各结构参数开展了系统优化设计,研制出了一款紧凑型高集成度关节样机。关节样机性能实验结果表明,基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节具备理想的关节输出力矩与刚度调节范围,可通过关节固有刚度特性与动态刚度特性的主被动融合控制,实现关节瞬时刚度的动态非线性精确调节,能够满足机器人动态运动对关节柔性与刚度的需求。     

铰接车橡胶弹簧悬挂系统非线性特性建模分析

橡胶弹簧悬挂系统结构简单减振性能良好,在非公路车辆、大型载重车辆和工程车辆中有广阔的应用前景。对铰接式自卸车悬挂系统进行了研究,对前悬沙漏式橡胶弹簧、后悬的复合橡胶弹簧等进行静、动态实验及分析,在试验的基础上,基于有限元方法对橡胶弹簧的非线性刚度特性进行理论建模与分析,并分析橡胶弹簧结构参数对其刚度特性的影响。对其非线性刚度进行分析,对比分析表明模型仿真与试验分析结果曲线具有一致性,表明所用理论方法和所建模型的准确性;采用非线性有限元接触模型对橡胶弹簧特性进行分析,可有效提高分析的时效性;橡胶弹簧的静态特性试验研究表明,结构的刚度与系统的载荷呈现正相关特征;橡胶弹簧的动态特性试验研究表明,其动刚度和阻尼损耗因子与振动频率和振幅有很大的关系;试验结果和分析模型可作为设计选用橡胶弹簧的依据。     

基于有限元的轴流式水轮机转轮体刚强度分析

针对轴流式水轮机,因其转轮体的结构及受力情况的复杂性,进行精确的刚强度计算是相当困难的。为了研究轴流式水轮机转轮体在工作状态下的应力状态及位移情况,采用周期性边界条件,选取包含一个完整枢轴孔在内的扇形区域作为分析模型,对弹性体结构的动力平衡方程,采用三维有限元技术进行求解,分别对额定工况、最大水头工况和两种飞逸工况下的轴流式水轮机转轮体进行了刚强度分析。结果表明：轴流式水轮机转轮体在运行时,飞逸工况下的应力水平要远远大于正常运行工况下的应力水平;转轮体的最大位移及最大应力点位于大枢轴孔的下端处,与实际转轮体最大应力位置一致,同时也说明了该方法的有效性。     

点弹性支承粘弹性杆的动力稳定性

利用Lagrange方程推导了在轴向周期压载作用下点弹性支承粘弹性杆的运动微分方程,并由动力稳定理论给出了杆的临界频率方程和动力不稳定边界。计算结果表明,对Kelvin模型粘弹性杆来说,粘性系数与点弹性支承处的弹簧刚度对杆的动力稳定性有显著影响,但当粘性系数小于某个量级时,可将该粘弹性杆的动力稳定性问题按弹性杆处理。     

基于ANSYS的水轮机转轮流固耦合分析

为了得到水体作用下的混流式水轮机转轮的应力分布规律和变形特征,应用ANSYS有限元分析软件,采用流固耦合分析方法对某混流式水轮机转轮进行了分析。通过建立全流道分析模型,得到了转轮叶片上准确的水压力分布。将流场计算结果应用到结构场中,对转轮不同工况下的刚、强度进行了计算,得到了转轮精确的结构应力和变形。计算结果表明,该转轮在水体作用下最大应力值小于材料许用应力,能够满足强度设计要求;变形量小于设计预留间隙值,保证了转轮在运行时不会与止漏环内表面刮擦,从而引起止漏环脱落;转轮部件的应力数据对准确评估转轮使用寿命具有一定的实际意义。     

Nonlinear vibration and rippling instability for embedded carbon nanotubes

Based on the rippling deformations, a nonlinear continuum elastic model is developed to analyze the transverse vibration of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) embedded on a Winkler elastic foundation. The nonlinear natural frequency has been derived analytically for typical boundary conditions using the perturbation method of multi-scales. The results indicate that the nonlinear resonant frequency due to the rippling is related to the stiffness of the foundation, the boundary conditions, the excitation load-to-damping ratio, and the diameter-to-length ratio. Moreover, the rippling instability of carbon nanotubes, as a structural instability, is introduced and the influences of several effective parameters on this kind of instability are widely discussed.     

基于BFGS摄动法的固定梁损伤检测

运用损伤结构的特征值问题,建立拟牛顿法的BFGS优化摄动方法来检测固定梁的损伤情况。多单元两端固定梁的损伤位置与程度,可以从首几对振动模态在数次迭代內准確获取。首先,摄动展开损伤结构的刚度矩阵、特征值和特征向量,并代入损伤结构的特征值方程;然后,集合p阶的弹性模量摄动项,以显式直接推导特征参数的p阶摄动系数;最后,把系数代入摄动方程,对于多个弹性模量进行BFGS拟牛顿优化迭代,其目标函数由摄动方程剩余项的总和产生。使用两端固定梁的有限元模型,五单元至九单元梁的损伤检测验证了该方法在有限模态参数与减少自由度模型的有效性。在终止准则方面,使用了d-模与t-模比较不同迭代阶段的收敛性,并精确地在0.06~0.001弹性模量误差內检测了小至大损伤的各个单元号及其损伤程度。     

基于MBS的剪式座椅垂向刚度特性比较分析

采用多体系统(MBS)动力学分析软件ProMECHANICA/Motion建立了剪式座椅悬架的仿真模型。基于此模型,比较了6种典型弹簧布置方式下的座椅垂向刚度特性,分析了2种典型弹簧布置方式下连接点位置变化对座椅垂向刚度特性的影响。仿真结果表明,多数弹簧布置方式下的剪式座椅垂向刚度具有明显的非线性特性,且其非线性特性在工作行程内表现为软特性,软特性的强弱程度随弹簧布置方式的不同而不同,弹簧倾斜布置于两剪杆之间或剪杆与座椅底板之间时,座椅垂向刚度软特性的强弱随弹簧连接点位置的变化而变化。     

单腿跳跃机器人的被动周期运动研究

单腿跳跃机器人系统是一个非线性系统,其是否存在被动周期运动,关系着单腿跳跃机器人是否能以最小能耗实现跳跃运动。文中采用Brute-force方法研究了最简跳跃机器人模型的被动周期运动,但Brute-force方法的最大一个缺点就是其初始条件是手动修改,这种手动修改初始条件的方法具有盲目性,即经过无数次的尝试,才能找到满意的初始条件,效率低下。文中最后提出设想,如果在确定初始条件前采用优化方法,找到合适的初始条件,那么就可以提高效率,避免了盲目性。     

车用空气弹簧有限元分析方法

空气悬架系统的刚度直接影响整车性能,而悬架刚度又主要取决于空气弹簧刚度特性。由于在工作行程中橡胶气囊发生多重非线性问题,难以用传统方法预估弹簧刚度。为此,基于空气弹簧结构分析、非线性有限元理论,提出一种空气弹簧力学特性预估方法。在这方法中以Yeoh模型模拟橡胶层,rebar模型代表帘线层,缘板及活塞作为刚体,气体流动与气囊体变形耦合。为了检验该方法的有效性和可行性,以某一大客车悬架用膜式空气弹簧为应用实例,根据结构尺寸用CAD软件UG建立三维实体模型,并用Hypermesh软件划分网格,用试验测试橡胶材料的应力应变关系。将有限元模型导入非线性有限元软件abaqus中进行数值计算。计算结果表明,所提出的方法是切实可行,为汽车悬架用空气弹簧研制开发提供了一种较为经济实用的预估方法。     

双半转腿式机器人运动稳定性分析

提出一种新型的双半转腿式机器人,主要由车体支架、两条轮腿及其轮腿支架组成.根据双半转腿式机器人的步行运动特点,将机器人的一个完整步行周期分为4腿支撑阶段和双腿支撑阶段.针对双腿支撑阶段的稳定性问题,提出3点假设,将机器人的跨步过程简化成一个支点不变、摆长不断变化的倒立摆模型.以机器人平地行走为例,分别建立机器人各杆件的质心坐标方程,并推导出机器人的质心运动方程.根据机器人倒立摆模型,分析影响其运动稳定性的因素.以此为基础,利用MATLAB软件对机器人平地行走时的质心姿态、质心速度以及后跨步杆端部位姿进行仿真,仿真结果表明,双半转腿式机器人的平地运动是稳定的.     

非线性汽车悬架系统建模与仿真研究

详细研究了传统非线性弹簧悬架、半主动悬架和非线性悬架的动态特性。在建立其动力学模型的基础上,利用MATLAB软件的SIMULINK工具箱对其进行仿真,给出了仿真模型。其中对于非线性弹簧悬架采用摄动法进行求解。最终的数值仿真结果表明,悬架系统选用合适的非线性弹簧模型比采用线性模型更符合实际。而采用相对控制的半主动悬架可以获得更好的行驶平顺性和乘坐舒适性。     

双臂弹性单腿机器人的垂直跳跃控制

提出一种新型弹性单腿跳跃机器人系统,该机器人由两个驱动臂和一个弹性被动伸缩腿组成,系统只能依靠内部动力学耦合实现动态站立平衡、起跳、稳定连续跳跃运动.给出系统机构模型,分析该系统的变约束特征.该机器人系统在支撑相是二阶非完整约束系统,在飞行相是一阶非完整约束系统.针对这种欠驱动非完整约束动力学系统,采用时变非线性输入变换,提出一种实现垂直方向连续跳跃的运动控制算法.以控制腿部的姿态和振动规律、系统动量为目标实现机器人的全状态稳定控制.通过计算仿真模拟,验证提出的运动控制方案是可行的.该研究以探索弹性欠驱动机械系统振动能量循环利用技术为目标,研究结果对设计新型弹性欠驱动机械系统以及探索它在航天领域的应用具有一定参考价值.