驱动电压幅值对双压电薄膜管道微机器人运动的影响

研究了一种细小管道内移动微机器人,它可以搭载摄像机进入φ20mm的管道内部进行检测作业.微机器人驱动器采用PZT双压电薄膜驱动器.介绍了微机器人的结构及运动机理.着重介绍了驱动电压幅值对此类微机器人运动的影响,通过建模、仿真以及有限元分析,得到随着驱动电压幅值的增加,驱动器振幅增加,微机器人速度增加的结论,并通过实验验证了此结论,此结论对提高此类微机器人的工作效率有重要意义.     

行波微泵驱动参数对驱动效果的影响

提出一种新型的无阀机械微泵,它依靠微泵管道顶部铺设的压电薄膜阵列产生的超声行波来驱动微管道中的流体。根据超声行波驱动微流体的原理对微泵进行ANSYS有限元建模和CFX流固耦合计算,得到了选定模态下内边长为200μm的方形微泵管道中流体的动力黏度与微泵驱动能力的关系,以及驱动电压幅值和频率对管口流速的影响曲线。结果表明：驱动电压的幅值大小与管口流速成正比,且当驱动频率等于共振频率时驱动效果最明显;当流体动力黏度小于0.001Pa·s时微流体流速随黏度增大而线性增大,之后则缓慢减小。此外,通过CFX后处理得到了微管道中的截面流速矢量图,由矢量图可以看出,在行波驱动作用显著的部分流速分布呈现自微管顶部向下逐渐减慢的特点,而在行波驱动作用极微弱的部分则流速分布近似呈抛物线形状。     

纳米银均匀喷射过程的数值计算与仿真

微滴喷射均匀液滴喷射过程受到多种因素的制约,包括压力波幅值、液滴物性(黏度、表面张力等)、喷嘴尺寸等。为深入理解微滴喷射过程机理,基于流体体积法建立了均匀液滴喷射数值模型,研究了压电驱动电压幅值对低粘度纳米银墨水稳定喷射行为的影响。通过数值仿真,给出了驱动电压幅值与液滴断裂长度、液滴飞行速度的数值关系,以及液滴飞行速度与卫星液滴的变化关系。采用27μm喷嘴直径的工业喷头构建微滴喷射系统,低粘度纳米银墨水为喷射材料,通过观测喷印到光面相纸的液滴尺寸及卫星液滴数量对数值模型进行实验验证。结果表明,液滴飞行速度取决于驱动电压幅值,液滴尺寸分布及卫星液滴数量取决于液滴飞行速度,与数值模型相吻合。通过数值模型仿真,针对纳米银墨水物性指标匹配合适的驱动电压幅值,生成均匀液滴流,对微液滴成型的工业化应用具有重要的理论指导意义。     

在液体中运动的微机器人振动模型研究

采用智能材料驱动的、在液体中运动的微机器人的振动模型是建立和研究其动力学模型的重要基础.在已建立的静力学模型基础上,建立了微机器人的无阻尼振动模型和有阻尼振动模型,并进行了相关的仿真和实验研究.结果表明:所建立的振动模型与物理模型相符;在无阻尼时,微机器人的动作能够随着输入驱动信号频率的增加而加快;在有阻尼时,当输入驱动信号频率在一定范围内,微机器人能够克服阻尼而动作,并能随着驱动信号频率的增加而加快;此外,微小位移放大机构与微机器人机身相连接的二个柔性铰链的转角刚度、液体环境等参数对微机器人的有阻尼振动性能都会产生相应的影响.     

无驱动结构硅微机械陀螺的原理分析和性能测试

提出了一种利用旋转载体自旋角速度驱动的硅微机械陀螺的结构原理,建立了这种陀螺的数学模型并分析计算了该陀螺的结构动力学参数.理论研究和试验表明,利用旋转载体自身角速度驱动的硅微机械陀螺结构原理正确.通过陀螺性能测试,陀螺输出电压与输入角速度成正比.     

胶囊微机器人在离体生物环境下的力学实验研究

介绍了一种新的旋转磁场驱动胶囊微机器人运动的方法。旋转磁场由阵列永磁体自转产生,胶囊微机器人具有螺旋表面并内嵌条形永磁体。设计了相应的实验装置,在由二甲基硅油配置的特定粘度的模拟生物体液和离体猪小肠内进行了实验。实验结果表明:在阵列中心区域能够得到大小连续的、转动速度可调的旋转磁场,其转动方向与永磁体转动方向相反。在阵列直径确定后,磁场强度几乎与阵列磁体数成正比。在粘液中,胶囊机器人直径、运动速度以及粘液粘度共同决定需要的外部磁场强度以及胶囊机器人运动时受到的阻力矩。对于能在离体猪小肠中自由旋进的螺旋胶囊微机器人,其受到的阻力小于0.2N,阻力矩小于2.6mN.m。旋转磁场对于样品产生的驱动力矩因样品不同最高可达到3.2~4.5mN.m,能够驱动直径合适的螺旋表面胶囊微机器人可靠地实现前后运动。     

水下机器人关节电机驱动系统研究

针对水下机器人关节电机驱动系统体积和功耗大的问题,根据对其系统原理和结构的分析,提出了一种采用高集成度器件、小型封装、多层印制电路板、低功耗器件、电能管理等方法来减小其体积和功耗的方法。研制了一套水下无刷直流电机驱动系统,该系统包括驱动电路、控制算法与控制界面,测量了驱动电路的面积和功耗值,并进行了速度伺服实验。研究结果表明:驱动电路的面积减小到仅为8.2 cm2,可以将其直接装入电机中;驱动系统的静态功耗和动态功耗分别为0.24 W和0.5 W,满足水下作业时的低功耗需求;电机装入操作臂时,给定120 r/min参考转速,电机能够在1 s内稳定,并准确地跟踪给定转速,完成水下作业任务。     

双压电薄膜微机器人的功耗及速度的影响因素

双压电薄膜微机器人可用于检测２０ｍｍ内径的管道内壁异常情况,本文研究了此种微机器人的输入功率影响因素,并推导了计算公式,用实验的方法分析了微机器人的速度影响因素,得出采用脉冲波,增大驱动电压,在微机器人的固有频率附近工作可提高微机器人运动速度的结论。     

基于蚯蚓运动原理的微小机器人构件的运动特性

介绍了一种基于蚯蚓运动原理的微小机器人内窥镜系统的原型,分析了单一构件活动件的运动特性,并通过调整各个线圈的驱动波形可以有效地控制微小机器人的运动.详细讨论了构件通电时间与构件活动件的运动位移、速度、加速度的关系,由此确定了微小机器人驱动电压的最高频率.可以通过调整驱动电压的频率来调节微小机器人的运行速度;也可以通过减少构件的通电时间解决微小机器人在运行过程中的发热问题.这项研究为微小机器人内窥镜的实际应用奠定了基础.     

一种核管道机器人结构设计与驱动力分析

针对人工方式进行核电管道检测与维护存在效率低的问题,将管道机器人技术应用到核电站管道维护中,代替人工进行现场故障监测、异物探测和清理。设计了直径为300 mm的管道机器人的机械结构,分析了机器人在管道中的受力情况以及驱动特性。同时设计了一种全新的单电机全驱动机构,这种设计使机器人整体结构更为紧凑,提高了机器人行进速度以及驱动负载能力。并利用ADAMS动力学仿真软件对机器人驱动特性进行了研究和分析。结果表明,机器人的驱动能力能够满足实际作业需求,并且其驱动能力与摩擦系数、斜坡度有关;其中驱动力与摩擦系数成正比,即摩擦系数越大机器人的驱动力越大;驱动力与斜坡度成反比,即斜坡度越大驱动力越小。该研究结果可为后续机器人优化设计提供理论依据。     

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。     

一种防垢除垢的变频电磁场发生装置

针对管道结垢引起的设备腐蚀问题,在分析现有防垢除垢方法的基础上提出了一种由可变频方波信号控制的电磁防垢除垢电路解决方案。系统由AVR单片机产生方波信号,利用光耦合器实现单片机同驱动电路的隔离,微弱电信号经后续电路放大,驱动管道外围线圈产生变化的电磁场。在电磁场作用下,污垢离子脱离管道内壁。实验结果表明,该装置可产生占空比为50%,频率从0Hz~6 MHz连续变频输出的方波信号,驱动功率为72 W,具有防垢除垢效率高、使用范围广、易安装、功耗低等优点。     

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。     

微型压电泵系统的设计研究

提出了一种整机采用迭片式结构,单向阀采用悬臂梁式薄片阀的新结构微型压电泵,设计、制作了实验用样机泵,设计了正弦信号发生器电路,将产生的正弦信号经过电压放大和功率放大后,作为该泵的电源驱动,通过对该泵的工作性能进行较为系统的实验测试和研究,提出了利用多腔体串联结构提高压电泵性能的优化设计方案。实验测试表明,该泵工作性能稳定(样机尺寸:Φ15 mm×1.8 mm;50 V正弦信号输入,80 Hz条件下,最大输出压力22 kPa,流量达到3.6 ml/min)。该泵的设计方法及所用制作工艺可用于研发大量生产的实用微型泵。     

SiC MOSFET在Buck变换器中的应用

第三代功率半导体器件碳化硅MOSFET具有开关速度快、宽禁带、低功耗、导通电阻小、工作频率高和工作温度高等优点,已成为高温、高压、高频等特殊场合的理想器件。该文设计了一种SiC MOSFET的驱动电路,利用软件PSpice仿真测试SiC MOSFET的开关特性,以及驱动电阻对SiC MOSFET的影响。搭建Buck实验电路,测试SiC MOSFET和Si IGBT两种功率器件不同占空比对应的负载电压,以及不同的输入电压和开关频率对应功率器件的壳温。实验结果表明SiC MOSFET比Si IGBT开关速度快、开关损耗小以及负载电压误差小。     

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。     

一款优化动态性能的足球机器人设计

介绍一款优化动态性能的足球机器人开发设计.其特点是:支撑轮采用圆球钢珠替代传统的滚动轴承;驱动轮的轮胎选用附着系数高而摩擦系数低的橡胶材料,并结合特殊的工艺制作;电源的电池经过特殊设计,连续使用时间延长20%以上,但体积比原有的电池减小约30%.动态性能对比实验表明,机器人运动灵活性有很大提高;采用适当的运动控制算法,可以保证机器人运动平稳性和准确性.     

基于啁啾光纤光栅的电压传感性能研究

电压的实时测量是电力系统稳定、安全的关键。提出了一种基于啁啾光纤光栅的电压传感器,利用压电陶瓷的逆压电效应带动黏贴在其上面的传感啁啾光栅发生形变,使传感啁啾光栅的波长发生漂移,通过检测传感啁啾光栅和参考啁啾光栅反射光包络的强度变化,获取被测电压的幅值和频率信息。理论分析了电压与光功率变化的关系,搭建了带温度补偿的双啁啾光栅传感系统,实验研究了传感器的静态和实时动态特性。实验结果表明,该传感器的相关系数R2为0.999 8,电压灵敏度达到0.048mW/V,既能直接检测直流电压,也能较好地检测交流电压及其频谱信息,为在复杂环境评估电能质量提供了参考。     

用于低能量密度换能器的电源管理电路

为无线微传感器供能的低能量密度压电换能器,其采集能量少、输出功率低。使用传统的电源管理电路向储能电容充电时,低功率地能量传输使得采集能量大多耗散在整流电路中,而最终能够传递给储能电容的较少,导致电路充电功率低下。为解决低能量密度条件下,电源管理电路整流耗能大、充电功率低的问题,引入了高品质因数的石英晶体,提出一种新式电源管理电路。电路使用石英晶体低损耗地聚集换能器采集到的能量,当能量聚集到一定水平后,快速释放能量,为整流电路提供较高的输入功率,降低耗散在整流电路中的能量的比例,从而使更多的能量传递给储能电容,使其获得较高的充电功率。实验表明,对于50 Hz频率下输出8 V的压电换能器,相比于传统变频匹配电源管理电路,所提电路可将充电电压提高163%,充电功率提高110%。