蛇形机器人水中上浮下潜运动仿真研究

根据水下环境特征,研究蛇形机器人在水中三维空间的运动步态.基于虚拟机器人实验平台(V-REP)动力学仿真软件搭建了具有垂直和水平关节的蛇形机器人模型,在蛇形曲线生成蜿蜒运动的基础上,采用逐节升降法实现了水中的上浮下潜运动步态.分析了蛇形机器人在水中运动过程中的位态、受力、关节力矩及运动效率的状况,为蛇形机器人水中运动的实用化提供数据参考,同时验证了逐节升降法实现蜿蜒下潜上浮的有效性.     

Characteristics of magnetic moment of capsule robots driven in pipes with curves by a spatial rotational magnetic field

针对胶囊机器人任意方向的转弯驱动,提出了向三轴正交亥姆霍兹线圈加载一定幅值和相位关系的同频谐波电流叠加空间万向旋转磁场的技术方案,研制了磁场发生装置与三相变频驱动电源,并成功地进行了万向旋转磁场的验证与转弯试验.根据磁耦合机理建立了空间磁力矩模型,并基于欧拉方程,建立了机器人摆动方程,研究了转向角与随动力矩和自转力矩的关系,进而分析了磁驱力矩分量对胶囊机器人稳定性和驱动效果的影响,结果表明,旋转磁场的随动效应有利于机器人转弯.     

轮式爬壁机器人转向稳定性研究

针对四轮爬壁机器人在铅垂壁面上转向失稳的问题展开研究。首先,基于机器人驱动轮与铅垂壁面相互作用的赫兹接触理论,提出了一种机器人摩擦力模型,利用线性积分算法求解出机器人驱动轮转向过程中的纵向摩擦力、横向摩擦力和转向阻力矩;然后,通过机器人动力学建模,推导出转向过程中的驱动力矩关系式,并利用MATLAB仿真得出不同转弯半径、不同磁吸附力和不同负载质量所对应的驱动力矩值随转向角近似呈正弦变化趋势。最后,进行了机器人转向稳定实验,结果显示驱动力矩的实测值与仿真值基本吻合。仿真和实验结果表明,控制转弯半径为0 m、调节磁吸附力为1 000 N和限定最大负载质量为27 kg,能够保证机器人转向稳定,有效解决轮式爬壁机器人转向失稳的问题。研究结果可为四轮爬壁机器人的路径规划和转向稳定性控制提供理论依据。     

仿鱼机器人S形快速起动的推进效率分析

基于白斑狗鱼主动/被动S形起动的体干曲线的摆动规律,为研制的仿鱼机器人建立S形起动的运动方程.通过流体举力、边界层摩擦阻力和纵向附加质量力等水动力计算,分析仿鱼机器人S形起动的水下推进效率.利用主动/被动S形起动的多步态仿真实验,给出仿鱼机器人动能、输入功率和推进效率等水下机动性能指标,为仿鱼机器人的水下机动推进实验研究和优化设计提供理论依据.     

六轮移动机器人运动学建模与仿真

针对石化行业的需求,设计了一款具有较强运动灵活性的适合在狭小空间、复杂环境中工作的六轮移动机器人。采用4个全向轮与两个普通橡胶车轮混搭的车轮配置方案,建立机器人的运动学模型,并分析了车轮的运动参数与机器人本体位姿之间的关系;运用ADAMS仿真软件构建了机器人的仿真模型,通过对直线行驶、原地转向性能进行运动学仿真,得到了机器人的运动学曲线,验证了运动学理论模型的正确性和机器人机构设计的合理性。原地转向误差实验表明,机器人具有较强的原地转向能力,原地转向最小误差可达到2.299mm,较好地满足了该机器人的高灵活性需求。     

轮腿可切换机器人步态切换动作设计及其机体位姿测量仿真

轮腿可切换机器人在不同的环境下具有不同的运动性能,研制一款新型轮腿可切换机器人。该机器人可实现轮式步态和腿式步态的切换以适应不同环境,最大限度提高机器人运动性能。本文研究了机器人进行步态切换时,机器人机体位姿变化及机器人机体质心在空间的位移及机器人腿各个关节的旋转角度的变化的测量方法,为机器人稳定性研究提供依据。通过对机器人步态切换动作进行仿真,测量机器人质心在空间的变化量及关节角度变换,分析测量结果表明机器人位姿变换平稳,证明机器人步态切换动作的合理性。     

步态训练机器人人机系统动力学仿真

基于MATLAB对6自由度步态训练机器人的人机系统进行了动力学仿真研究.应用Newton-Euler法,推导了机器人的运动约束方程和动力学方程,构成了机器人的约束矩阵方程(constrained matrix equation,CME);分析了正常人在平地行走时的步态特征,并给出了人在行走时双足对地面的压力模型,利用MATLAB工具箱建立了人机系统动力学仿真模型,并对机器人跟踪人在平地行走的步态轨迹进行了仿真分析.仿真结果表明,步态训练机器人对人的双足负载具有良好的适应能力,可以方便获取机器人的动力学参数.该研究为实现机器人的控制及性能改进提供了理论依据.     

多关节蛇形机器人的结构设计和运动实现

针对蛇形机器人整体研制的关键问题，包括材料选取、结构设计和运动实现等，研制了一种新型的多关节蛇形机器人。该蛇形机器人由11个二自由度正交关节构成，可在保证灵活性的同时实现三维高仿生运动。采用蛇形曲线设计了蛇形机器人的蜿蜒、蠕动和翻滚等基本步态，并进一步提出了改进的越障步态。同时，在V-REP软件中对蛇形机器人的步态进行运动仿真，比较了不同步态的运动轨迹和运动效率。最后，通过蛇形机器人样机步态实验，对步态模型中各个控制参数对蛇形机器人运动波形和运动速度的影响进行了分析，验证了蛇形机器人本体结构与控制系统的可靠性。研究结果对实现蛇形机器人的步态规划与运动控制具有重要的理论意义与实际指导价值。     

Study on the rollover control weight of vehicle chassis key subsystems

针对汽车底盘关键子系统对侧翻运动影响能力及有效作用区域的差异,综合考虑了车辆运动耦合及轮胎力耦合因素,建立了包含悬架、制动和转向系统的11自由度整车侧翻动力学模型.以主动前轮转向、独立制动及主动悬架等底盘典型控制系统为对象,以系统的控制输入为分析变量,选取各系统对车体产生的侧倾修正力矩为权重评价依据,定量地研究了其对侧翻控制的功能权重及有效作用范围.结果表明,这三个控制子系统都可以在不同程度上有效地控制侧翻运动.分析明确了各系统工作的有效工作区域和控制权重,为车辆侧翻控制策略的制定提供了依据.     

绳牵引康复机器人的工作空间分析与运动学研究

针对在康复训练过程中如何协调控制患者的骨盆运动轨迹问题,设计了由4根绳牵引的3自由度绳牵引并联康复机器人.基于力/位混合控制的思想,给出了一种基于矢量封闭原理和特定的力/力矩条件的可控工作空间分析方法;用影响系数方法建立了绳牵引康复机器人的运动学方程,得出骨盆运动与绳运动的映射关系;并采用Matlab软件和Simulink工具对骨盆在步态运动过程中的运动轨迹进行了仿真研究.结果表明:该工作空间分析方法可以直观地判断绳牵引康复机器人的机构参数是否满足设计目的要求,绳的速度值和加速度值与骨盆的速度值和加速度值是同数量级的.     

基于质量线法的驾驶室惯性参数识别试验研究

准确的驾驶室惯性参数,包括质量、质心位置、转动惯量和惯性积等,是整车动力学分析的基本参数。本文以某国产重卡整备驾驶室为研究对象,利用LMS数据采集系统测量频率响应函数,采用称重法获得重卡驾驶室的平面质心位置。从频率响应函数中提取质量线计算质心位置,与称重法结果进行对比,X方向误差为1.99cm,Y方向误差为0.68cm。该结果表明质量线法具有较高的测量精度。计算整备驾驶室的转动惯量、惯性积、主惯性矩和惯性主轴方向,并对引起试验误差的原因进行分析。     

滑阀真空泵转子惯性力和惯性力矩完全动平衡的探讨

降低滑阀式真空泵的振动对提高泵的质量、延长泵的寿命有着重要的意义。根据质量矩定理和动忸矩定理对单缸滑阀真空泵的转子运动状况进行了分析，分别提出了转子惯性力和惯性力矩完全动平衡的条件。按照惯性力平衡条件进行的实验表明，转子等运动部件在按此平衡条件作了部分改动后．泵的振动明显降低。     

采用变换矩阵计算运动人体惯性参数

根据测量的25个人体形体指标,用Barter回归方程以及人体模型的定义计算得到人体环节的质量、几何尺寸和质量惯性矩等环节惯性参数。用Hanavan人体模型采用变换矩阵获得运动中人体环节相对惯性参考系的环节惯性参数,同时根据合力矩定理和平行轴定理计算运动中人体质心和主转动惯性等惯性参数,为研究人体运动提供可靠的定量分析依据。研究方法很好地体现了人体惯性参数的个体特征和任意姿态特征,其计算结果与国内报道用CT法和三线摆的研究结果相符。     

基于并行计算的三自由度并联机床动力学解析模型

基于运动学分析、凯恩动力学方程和数字-符号方法,建立了三自由度并联机床的动力学解析模型.将广义坐标、构件的质量和转动惯量处理为符号量.将动力学模型矩阵的推导问题转化为特定条件下运用运动学和动力学计算公式求解驱动力的问题,由计算机自动生成动力学模型矩阵中的各元素的实时代码.文中引入了一种新的标量矩阵与矢量矩阵的乘法运算,研究了广义坐标和构件的质量对驱动力的影响规律.构造了动力学解析模型的并行算法,节省了计算时间.给出了动力学模型矩阵元素的实时代码生成和驱动力矩与参数关系的具体数值实例.     

曲柄群驱动机构刚柔耦合的动平衡研究

针对曲柄群驱动机构运转过程存在较大振动和噪音的问题,根据平面连杆机构动平衡理论中质量矩替代法和动量矩替代法推导出曲柄群驱动机构的动平衡条件.利用ADAMS软件建立刚性体六曲柄群驱动机构的动力学模型,并对比分析模型配重前后各曲柄固定转动副处的受载曲线,基于刚性体虚拟样机模型仿真结果得到机构刚柔耦合虚拟样机动平衡模型.该刚柔耦合模型仿真结果说明六曲柄群驱动机构摆动力和摆动力矩均得到了较好的平衡,揭示了只靠施加配重质量的曲柄群驱动机构并不能实现理想的动平衡效果.这种刚柔耦合的动平衡方法为进一步研究曲柄群驱动机构的动力学特性提供了新的思路.     

商用车驾驶室惯性参数辨识

惯性参数是进行驾驶室悬置系统设计的重要参数。传统的惯性参数测试方法不仅实际操作复杂,而且难以保证测试的精度。根据驾驶室的结构特征,结合模态理论与惯性参数的关系,提出基于剩余导纳和频响函数的惯性参数辨识方法。分析了影响惯性参数辨识的因素,并就如何提高辨识精度提出解决方法。最后,通过模态试验得到驾驶室的频响函数曲线,并选择合适频段计算其惯性参数。结果表明,质心位置、主惯性轴方向符合驾驶室结构特点,转动惯量值数据可靠。     

大型深海AUV无动力螺旋下潜运动特性分析

为了合理地设计大型深海自主水下航行器（autonomous underwater vehicle, AUV），针对其无动力螺旋下潜时的静力配置问题展开研究，重点分析其无动力螺旋下潜运动特性。首先，基于拉格朗日方程推导了大型深海AUV的动力学模型，并利用CFD（computational fluid dynamics，计算流体动力学）软件对其直航试验、斜航试验、悬臂水池试验和平面运动机构试验进行数值模拟，通过最小二乘线性回归法拟合得到了相应的水动力系数；同时通过对比给定推力条件下AUV的直航速度验证了动力学模型的有效性。然后，基于所构建的动力学模型，利用MATLAB/Simulink和S函数建立了大型深海AUV的六自由度运动仿真模型，分析了其净负浮力、重心纵向位移和稳心高度与无动力螺旋下潜稳态参数之间的关系。最后，设计了1∶10的大型深海AUV缩比样机，通过水池试验验证了动力学仿真结果的正确性。结果表明：净负浮力作为大型深海AUV下潜时的主要动力来源，决定了AUV的下潜速度和偏航角速度；净负浮力和重心纵向位移与稳心高度的比值越大，AUV的垂向下潜速度越快，下潜至6 000 m深度的用时越短；由于该AUV的体量较大，其纵倾角主要由重心纵向位移与稳心高度的比值决定，压载质量对重心位置和转动惯量的影响几乎可以忽略。研究结果可为大型深海AUV无动力螺旋下潜时的静力配置提供参考。     

基于AUTOCAD系统的振动结构转动惯量计算的方法

本文介绍了一种自动计算振动结构的转动惯量的方法。     

基于模态试验与优化的静动力学模型转换

在结构强度分析中,将刚度分布较为准确的静力学模型转换为动力学模型可以大大提高建模效率。提出了一种基于模态试验和优化算法的静、动力学模型转换方法。在调整静力学模型的刚度矩阵基础上,再按照质量、质心、惯矩、单元体积进行节点质量的预分配,最后根据模态试验识别出的模态参数优化节点质量的修正量,如此便可得到其动力学模型。以某飞机翼身组合结构模型的转换为例,证明了该方法的实用性。     

大型刚体惯性参数识别的三线扭摆系统实验方法改进研究

精确获取汽车动力总成刚体惯性参数是发动机悬置系统设计的重要前提之一。利用三线扭摆法测量刚体单轴转动惯量精度较高的特点,基于表面固定点确定刚体方位的三点定位方法和测量6个~9个不同方位的多次测量原理,发展了一套适合于大型复杂刚体的惯性参数识别方法。关键技术有:(1)选取刚体表面三个定位点定义一个刚体随动坐标系以描述刚体方位;(2)通过测量刚体定位点至托盘表面参考点(定义一个整体坐标系)的距离,计算出定位点在整体坐标系下的坐标和两个坐标系之间的转换关系;(3)求出各组实验中在动坐标系下的刚体转轴方位和转动惯量;(4)运用最小二乘原理,求解多个转轴的最优交点得到动坐标系下的刚体质心坐标,求解由转动惯量转轴定理导出的线性方程组得到刚体惯性矩阵。实验方法中容易引起误差的环节较多,但是可以根据最小二乘原理进行逐级误差估计和控制。通过误差分析、长方体质量块实验验证和大量的汽车动力总成惯量参数识别实验,证明了该方法的实用性和可靠性。