超声波钻谐振控制算法设计及试验验证

为解决小天体表面引力小及温差变化大难以实现锚固的问题,提出以超声波钻作为锚固工具并采用模糊控制和恒流控制相结合的策略,实现了低钻压力和高低温环境条件下的超声波钻钻进锚固。压电驱动的超声波钻将高频电能转化为高频机械振动,驱动钻具高频破碎岩石,具有极低钻压力的显著优势,尤其适用于弱引力小天体的钻进锚固作业。针对超声波钻的驱动,对超声波钻的谐振控制算法进行研究。首先,建立超声波钻换能器的等效电路模型,在等效模型基础上研究换能器的阻抗特性、负载特性、温度特性和滞后特性。其次,根据超声波钻的工作特性研究谐振频率识别算法、谐振频率跟踪算法和恒电流控制算法,针对谐振频率跟踪算法研究了基于递归最小二乘估计的频率跟踪算法和基于模糊控制的频率跟踪算法,并对实际控制效果进行对比分析。最后,进行常温常压和高低温环境下钻进试验,试验结果表明,在不同温度环境和不同的钻进对象条件下,所设计的谐振控制算法能够实现对超声波钻的稳定驱动。研究结果表明,所提出的模糊控制和恒流控制能够有效的在低钻压力以及不同温度下实现有效钻进。     

一种压电换能器直接驱动钻具的超声波钻探器

为满足深空探测任务中,空间环境苛刻的外星体表面岩石钻取采样任务的使用需求,本文设计了一种基于压电驱动原理,可搭载在漫游车机械臂末端的超声波钻探器。超声波钻探器的压电换能器直接与钻具发生冲击碰撞,以驱动钻具作高频冲击运动,达到冲击破碎岩石的目的。设计了钻探器的压电驱动单元,并理论分析了压电换能器变幅杆与钻具的冲击碰撞过程。通过实验研究了超声波钻探器对砂岩的钻进性能及钻压力与钻具长度对钻探器钻进性能的影响。实验结果表明:所研制的超声波钻探器可对砂岩进行有效钻进,而且所需的钻压力较小,可用于彗星、小行星等弱引力场的地外天体表面岩石的钻取采样。     

凿岩机器人钻臂的运动学研究

为实现凿岩机器人钻臂在凿岩过程中的自动定位,建立了多关节钻臂的运动学方程;根据钻臂的实际工作特点和工作范围提出了一种求逆解的方法。运算结果表明,该方法可以成功地实现快速、精确求解,具有较高的实用价值。     

多关节凿岩机械手快速定位方法

凿岩机器人在工作时,完成的任务是随机的,它每1只机械手具有6个转动关节和3个移动关节。在定位时,其运动学逆运算过程相当复杂,对满足实时控制的需要,必须实现快速逆运算。作者在分析凿岩机器人钻臂结构的基础上,利用钻臂的双三角支架的空间平移性能,根据各关节变化所引起的钻臂端部位姿的变化,综合机器人学中运动学知识,建立一个专家系统,采用拟人化的方案－“先定点,再定位姿”,解决凿岩臂的快速定位问题,以实现描述各关节位置的变量的快速逆运算。根据实际工作情况,首先使钻臂的端点与目标定位点重合,求解出相应的关节运动变量的值,然后把凿岩机械手看作闭链机构,再选择相应的运动关节确定钻臂的空间位置,从而简化了计算的难度,可快速、精确地求解机械手的各关节变量值。     

基于磁悬浮的高压直流输电线路巡检机器人可行性研究

针对目前轮臂式高压巡检机器人机体过重、巡检效率低下以及容易打滑问题,提出了一种基于磁悬浮的高压直流输电线路巡检机器人的技术方案;利用高压直流导线周围的磁场,采用全新的磁悬浮技术,使机器人能悬浮于线路之上,并利用洛伦兹力牵引机器人移动,从而简化巡检机器人的结构,提高巡检效率,彻底消除打滑问题.根据架空高压直流输电导线周围的磁场特性,设计了实现磁力悬浮和磁力驱动的线圈结构以及与之相适应的机器人的总体结构,阐述了磁力驱动和磁力悬浮的实现原理,并从理论上证明了实现巡检机器人的磁悬浮和磁力驱动的可行性.     

气动软体自折叠机械臂的驱动和负载性能

提出由气动自折叠机械臂和气动关节构成的全软体空间捕获机器人方案. 基于折纸理论设计气动自折叠机械臂结构初始构型,研究气动自折叠机械臂的驱动特性和负载性能;进行气动机械臂的充气驱动试验,得到气压-伸长量关系曲线;基于非线性有限元法,分析气动机械臂驱动过程的大变形和应力应变分布. 结果表明,充气段和排气段的曲线均呈非线性变化,整个驱动过程的滞回曲线明显,验证了其充气驱动-排气自折叠的驱动特性. 通过负载能力试验和仿真分析,评估气动机械臂的负载能力. 随着设计气压不断变大,拉伸负载能力变小,滞回环变大,而抗压负载能力变大,滞回环变小. 所研究的气动自折叠机械臂为实现全软体空间捕获机器人提供技术支撑.     

磁流变刚度阻尼可控缓冲系统冲击减振控制

根据磁流变液变阻尼和磁流变弹性体变刚度特点,结合飞机起落架的工作情况,提出了可应用于飞机着陆缓冲系统的磁流变变刚度变阻尼缓冲器结构方案,建立了其变刚度变阻尼控制模型.针对飞机缓冲着陆动力学过程不连续,设计了加速度反馈和LQG控制相结合的控制策略,通过仿真研究了缓冲器和控制策略的有效性.结果表明,基于磁流变自适应变刚度变阻尼缓冲系统,能在不增加缓冲器行程的情况下,降低着陆时的冲击载荷,提高滑行阶段的舒适性.     

履带式机器人避障自动控制系统设计

针对履带式机器人的电机控制及避障等功能,设计了一种以STM32微控制器为内核的自主履带式机器人。搭建其硬件平台后以超声波传感器模块来获得障碍标志物与机器人的间隔信息;因传统PID控制下的电机转速响应慢、容易出现积分饱和现象,提出多级积分分离PID算法实现转速控制,同时引入模糊控制算法来实现行进中的避障控制。基于Matlab/Simulink平台对机器人控制器进行算法仿真,仿真结果表明机器人能可靠地躲避障碍物,并改善了电机的控制性能;在地面实验中,验证了履带式机器人的直行和避障功能良好。     

漂浮基空间机器人关节驱动力矩求解的Newton-Euler正交方法

空间微重力环境下,空间机器人安装基座不固定,机械臂与安装基座之间存在运动学和动力学耦合作用．针对地面机器人的关节力矩计算方法不能直接用于空间机器人的研究中．根据空间机器人自由漂浮状态时系统动量守恒的特点,采用Newton-Euler正交方法构建了满足系统动量守恒约束条件的空间机器人运动曲线法空间与切空间基底,并以此基础得到了自由飘浮状态下的空间机器人关节力矩的显式表达式．最后通过空间二连杆机械臂实例给出了其具体的应用．     

月球着陆器新结构的ADAMS仿真研究

为了解决月球着陆器等航天飞行器类产品研制和试验费用十分昂贵的问题,提出并试验了月球着陆器机械结构仿真研究方法.采用ADAMS动力学仿真软件,对月球着陆器3种典型结构进行了动力学建模、优化及在月球重力场下着陆缓冲等仿真研究.以冲击隔离系数的大小为具体评价指标,对月球着陆器3种典型结构缓冲性能进行了评价.结果表明斜腿式两级缓冲月球着陆器新结构缓冲效果最好.     

月球大深度保真取芯探矿机器人系统构想与设计

开展月球取芯是人类探索月球、获取月球地质信息、了解地月系及太阳系起源与演化的重要举措。针对目前人类月球取芯存在的“取不深”、“取不真”的技术瓶颈，本文从月球月壤/月岩地质成分与特性入手，在国际上首次提出月球大深度保真取芯探矿思路，在综合考虑大深度取芯钻杆搭接、取芯机器人构型设计、取芯过程自掘进与支撑、原位保真取芯控制、样本原位封装与返回等要素基础上，提出月球大深度保真取芯探矿机器人系统构想。针对所提出的构想进行机器人系统实施技术方案设计，具体设计了多级分段式取芯器、自掘进取芯机器人、柱坐标取芯器存储机器人、气压轴向推进与气压支撑、旋转复合超声冲击钻进、保真膜及微流道原位环境控制、蜂窝状样本保真腔、月球样本保真返回等技术实施方案。基于上述构想及技术实施方案，本文系统总结了月球大深度保真取芯机器人系统设计需解决的关键技术问题及解决思路。本文的研究将为人类进行月球及其他行星大深度保真取芯探矿提供技术方案参考。研究成果将有助于人类真实了解月球深部原位地质信息，为月球演化科学探索提供技术支撑。     

MG100全液压锚杆钻机钻架工作原理分析

目的分析MG100型全液压锚杆钻机全方位调整钻架的构造及工作原理,确定锚杆钻机钻头工作的矢量空间域.方法通过对锚杆钻机全方位调整钻架立面摆动部分、滑移伸缩部分和旋摆部分的分析,论述了全方位调整钻架的构造;并把实际工作状态下的钻架简化为数学模型,分析其工作原理,运用机器人运动学原理建立了钻头的运动方程.结果大臂绕与上支座铰接的铰点旋转范围为-20°~＋55°,桅杆在立面内的摆动范围为-142°~＋24,°桅杆绕回转支承轴旋转92.5°,桅杆可在滑槽内滑移1 000 mm.它反映出钻杆具有多方向钻进能力.结论得出了钻头工作的矢量空间域,为钻机的整体设计与使用提供了理论基础.     

基于STM32温湿度采集的播种机器人控制系统设计

针对目前播种机器人的控制系统体积大、性能不稳定、功耗高、成本高、效率低等存在的问题。设计了一种基于STM32单片机的播种机器人的控制系统。该设计以STM32F103ZET6单片机为核心,L298N芯片对电机进行驱动,DHT11芯片对土壤的温湿度进行检测,红外传感器和超声波传感器共同为播种机器人避开前进路上的障碍物,ATK-ESP8266 WIFI模块对机器人的远程操控,并预留单片机I/O口,方便增设功能。本次设计着重分析电机驱动模块和温湿度采集的软件设计过程,此设计方案在很大程度上解决了播种机器人存在的问题,使播种机器人在使用上更方便。     

基于虚拟模型和加速度规划的腿部缓冲策略

提出一种基于虚拟模型控制和加速度规划的腿部缓冲方法。通过建立机器人腿部的虚拟模型,设定落地过程中躯干加速度从而可减小地面对机器人的冲击力,保护机器人的机械结构。该方法将机器人的落地过程分为下落、缓冲、恢复3个阶段。在下落阶段,通过在足端与期望位置之间添加虚拟“弹簧—阻尼”系统来控制足端位置。在缓冲阶段和恢复阶段,通过规划躯干质心加速度,从而减小落地过程中躯干受到的冲击。该方法可避免在激烈的足地交互过程中调节系统的刚度和阻尼,控制过程更简单精确。基于Webots的仿真试验表明,该方法在机器人落地过程中的保护是有效的。     

超声振动主轴关键部件设计与动力学分析

为实现超声振动钻削加工,需设计超声振动主轴系统。而主轴系统中声振部件是最关键的部件。本文首先提出了一套用于微细孔加工的轴向超声振动钻床主轴的关键部件的设计方案,通过分析超声振动钻削主轴的基本工作原理,确定了主轴关键部件的结构选择和设计方法,进一步对主轴关键部件的连接进行改进。随后对主轴关键部件建立动力学模型,并应用Ansys Workbench软件对其进行了动力学分析,得到了关键部件的模态和谐响应特性,动力学分析验证了设计的可行性,最后通过钻削实验实现了难加工材料的微细孔振动钻削。     

加工42CrMo深孔中枪钻钻尖的几何参数改进

枪钻在加工42CrMo深孔时存在的主要问题有:排屑不通畅、快速磨损。经分析实际加工条件和被加工材料的特征后,修改了原有钻尖的几何参数。经过一系列实验证明:改进后的枪钻寿命提高了2倍多,提高了加工效率。介绍了所改进的钻型、实验过程和结果,并初步分析了排屑机理。     

一种石油钻采设备关键零部件再制造性的成本评估方法

在分析石油钻采设备再制造流程的基础上,通过定量评估各再制造环节的成本支出,提出一种再制造性的成本评估方法.该方法着重考虑了工艺性成本、能耗性成本及环境性成本等因素对设备零部件再制造性的影响,提出直接从成本消耗角度评估再制造性的策略;废旧石油钻杆的再制造性和钻井泵曲轴的再制造性评估作为示范,对该方法进行应用测试.结果表明...     

高速CCD数字视频采集和并行存储技术

为满足高帧频、大阵列CCD数据采集存储的要求,在分析了SCSI直接存储的基础上,提出了缓冲并行预处理和SCSI硬盘直接存储阵列技术相结合的采集和存储方案.该方案先将高速CCD图像数据进行多FIFO环形缓冲,然后利用SCSI直接存储系统并行存入SCSI硬盘阵列.此方案能够有效地提高存储速度,并使存储速度达到100 MB/s.     

基于ARM-LINUX平台的障碍物识别系统的设计

为满足移动机器人系统中对环境物体定位的需要,在ARM—LINUX平台上,设计了障碍物形状识别系统．根据超声波测距原理,设计了“一发三收”式的超声波探测装置,利用数字示波器采集不同形状障碍物的超声波回波数据．通过比较分析,可分辨出障碍物的边角形状,并通过大量实验来验证系统的有效性．