体内微型机器人的全方位旋进驱动特性

提出了一种由外旋转磁场驱动的体内微机器人．它以相邻径向异向磁化瓦状多磁极圆筒形NdFeB永磁体为外驱动器,以机器人内嵌同结构的NdFeB永磁体为内驱动器,外驱动器旋转时产生旋转磁场,通过磁机耦合作用于内嵌驱动器形成机器人驱动力矩,在本体外表面螺纹与流体动压力的作用下,实现机器人在管道内的在线旋进．在建立微机器人游动模型的基础上,以垂直管道为试验环境,研究了机器人的全方位驱动特性,试验结果表明机器人可以实现管道内全方位驱动．     

伺服电机磁阻力矩的测量及分析

直流伺服电机的磁阻力人于直接测量，但在伺服电机和测速机的给合系统中，可借助X－Y记录仪对伺服电机的电流和转速（通过测速机）进行测量，并进行简单的计算即可，进一步的分析表明：磁阻力矩只影响以伺服电机为执行元件的伺服系统的低速平稳性，高速时因电机的固有特性而其衰减。     

一种面向行星探测的多轮机器人协调控制方法

面向星球表面探测应用,在研究基于曲柄滑块的多主动轮驱动结构的基础上,对机器人多轮协调控制 问题进行研究．对机器人在平坦以及崎岖地面行驶时驱动力矩的变化进行了详细分析．提出了一种基于驱动力矩变 化的多主动轮协调控制方法,并在多轮移动机器人平台上得到了实现．实车试验表明,该方法可以减少因各轮运动 不协调所产生的纵向滑移现象,提高了码盘定位精度,有效地降低了能耗．     

步进电机矩频特性智能集成测试系统

介绍一种基于步进电机驱动系统矩频特性的“计时”测试理论,研制的步进电机驱动系统矩频特性测试系统.该系统由自制的整形电路、异或检相器和MCS-8098单片机组成,可替代市售数字式转矩转速仪,它与上位机进行通信,具有自动测量电机矩频特性及绘图等功能.     

四轮驱动滑动吸盘爬壁机器人的动力学研究

研究了四轮驱动滑动吸盘式爬壁机器人在滑动导向运动方式下的动力学问题．首先分析了机器人在壁面上安全移动的运动状态和约束条件, 然后对驱动轮支撑力分布、驱动轮与壁面间的横向摩擦力以及密封圈摩擦力进行分析,进而基于牛顿---欧拉法建立了机器人的动力学方程, 并用驱动力矩安全系数来表征驱动力矩的安全程度．通过动力学仿真,分析了吸附压力、驱动轮分布、密封圈刚度等对驱动力矩的影响, 为四轮驱动滑动吸盘式爬壁机器 人结构优化和安全运动控制提供理论依据．     

风载下高压直流巡检机器人磁力矩平衡方法

针对高压直流巡检机器人在高空作业过程中易受风载影响,导致机身稳定性差和作业安全性低的难题,提出了一种基于高压直流磁场的磁力矩平衡方法:利用载流线圈在高压直流磁场中产生的安培力力矩与风载荷力矩的抵消实现动态平衡.根据机器人结构和高压直流输电线路周围的磁场特性,建立了磁力矩装置的物理模型,对磁力矩进行了理论计算并分析了风载下机器人所受风力及其影响;基于ANSYS Workbench平台,在风场环境下对机器人所受风力矩进行仿真计算;利用COMSOL软件对磁力矩模型进行仿真分析.通过对两次仿真结果及理论计算值的比较分析,表明模型在设定参数下能产生符合要求的磁力矩.     

新型工业机器人结构设计及其全域刚度预估方法

设计了一种新型5自由度无间隙传动工业机器人结构,机器人机械臂采用平行四边形框架及电动缸对角驱动的桁架式结构,有利于提升机器人的综合刚度．腰部和腕部采用双电机驱动主从消隙控制消除传动间隙,臂部电动缸的滚珠丝杠副通过双丝母预紧消除反向间隙,实现机器人无间隙传动．根据机器人外部载荷和基于能量法计算的机器人末端变形建立机器人全域工作空间刚度预估模型,通过机器人的整机刚度有限元仿真结果及原理样机的实验结果验证了刚度预估模型的有效性．最后,分析了机器人的刚度分布特性并与Fanuc S900iB/400工业机器人进行了刚度比较,结果表明了本文机器人结构的刚性优势．     

基于人工肌肉的仿生机器鱼关节机构设计与力学分析

在深入分析活鱼解剖结构的基础上,设计了一种人工肌肉驱动的鱼关节结构,介绍了形状记忆合金(SMA)人工肌肉元件的设计方法．对鱼的尾鳍摆动进行了力学建模,并加以简化．基于摆动过程的力矩平衡方程,对SMA驱动力矩与阻力矩、流体阻尼力矩及机构（流体）惯性力矩进行了分析,建立了各个参数之间的定量关系式．通过数据验证了模型的可靠性,为仿生机器鱼的研究提供了参考依据．     

胶囊机器人与肠道准静态交互的临界滑动阻力研究

目前,胶囊机器人从静止状态到相对运动发生的这一过程中所需要克服的阻力尚无有效数据.本文针对这一问题进行交互分析,量化影响临界滑动阻力的因素.首先基于Ciarletta的超弹模型,分析"内力-摩擦"式和磁驱式胶囊机器人实现运动所需的临界滑动阻力.首先分别建立了包括胶囊机器人头部压力、中段摩擦力和头部摩擦力的阻力模型,并根据力的平衡关系获得临界滑动阻力的表达式.其次,构建了实验台并利用家猪的离体小肠开展了实验.随后对影响临界阻力的参数进行了分析,包括胶囊机器人外径与肠管的内径比(R/r)、肠管摩擦系数和胶囊机器人的中段长度.临界滑动阻力的理论计算结果与实验结果达到较好的吻合.R/r和肠道摩擦系数的增大都会导致临界滑动阻力增大.胶囊头部所受摩擦力在阻力中所占比例小于1%.胶囊机器人受到的阻力与其中段长度呈线性关系.提出的模型能够准确地预测临界滑动阻力,可体现各因素的影响,其中最为主要的影响是R/r.     

牵引电机无速度传感器的间接转矩控制的应用

分析了基于静止坐标系的间接转矩控制原理．在定子坐标系内分别对定子磁链与电机转矩进行计算并得到定子磁链增量值,包括定子磁链的幅值增量和相位增量,由定子磁链增量计算出异步电机定子的空间电压矢量．通过选择适当的定子磁链、转子磁链状态变量,构建一个感应电机的全阶闭环磁链观测器,实现转子转速的自适应辨识．实验结果表明,定子电流为正弦波且谐波小,电磁转矩的稳动态性能好,电机的辨识速度能够快速而准确地收敛到真实转速．     

无刷直流电动机动态性能分析

针对无刷直流电动机实际运行过程中存在的脉动和非平滑现象,基于内部结构特征和工作原理,研究了无刷直流电动机的运动特征和动态特性.从电机齿槽结构、绕组形式、转子位置、换相过程等方面分析了气隙磁场分布特征和对相电流、反电动势波形的关联作用,阐述了造成转速变化和产生脉动转矩的影响机理,讨论了单闭环控制与双闭环控制方式下的电机运行特性.通过搭建系统仿真模型,获得了空载启动、突加负载、变转速等控制要求下电机转速、定子电流和转矩的运行曲线和变化规律.理论分析和仿真实验均有效地阐明了无刷直流电动机的动态性能.     

胶囊内窥镜机器人的外磁场驱动方法

研究了利用外部磁场驱动胶囊内窥镜机器人的方法. 我们将梯度线圈和匀场线圈进行组合，通过调整线圈加载电流以及线圈绕可平移病床的旋转来合成空间上梯度均匀、低场强区域可动态调整的驱动磁场，作用于机器人内置的永磁体,从而获得期望的驱动力和辅助转矩.仿真表明组合线圈构成的磁场环境对于驱动相当有利. 我们提出的驱动方法具有良好的可控性和安全性，为进一步研究梯度磁场驱动适于体内各种腔管的微机器人奠定了基础.     

机器人带未知负载条件下的碰撞检测算法

未知负载会增大机器人模型误差，对碰撞检测产生严重干扰，甚至导致算法失效．为此，本文提出了一种适用于机器人带负载工作情况的碰撞检测算法．首先，基于机器人广义动量设计具有带通滤波特性的新型力矩观测器，通过对机器人动力学频域特性进行分析，得到机器人动力学模型与关节运行速度对应的最大频率阈值，确定带通力矩观测器的参数．然后，利用带通力矩观测器对关节力矩信号进行滤波，提高碰撞检测算法对机器人模型误差的容忍度．最后，通过人与机器人交互实验进一步验证了该碰撞检测算法的有效性．实验结果表明，该算法与已有的算法相比具有更好的鲁棒性，可满足机器人带未知负载0～2 kg的工作需求．     

毫米级潜艇形机器人在低雷诺数液体中的3D运动及微操作方法研究

为模拟机器人在人体环境中的3D运动及微操作,提出了毫米级潜艇形机器人在低雷诺数液体中保持水平姿态实现3D运动及执行微操作的方法．首先,设计并加工了潜艇形机器人以及4线圈磁驱动系统,通过COMSOL软件对磁场系统进行了有限元仿真．然后,对机器人在低雷诺数液体环境中的受力情况进行了分析,建立了机器人运动模型并研究了其多种运动模式．机器人在低雷诺数液体中可以保持水平姿态沿设定路线运动,包括垂直上升、对角上升、直角运动、螺旋上升等3D运动,最大运动速度为1.2 mm/s．通过设计的无线能量传输系统将电能引入到小尺度空间,机器人可通过无线电能驱动其前端的夹持器执行夹取、搬运、释放等微操作．     

机器人关节用高精度交流伺服系统研究与实现

机器人关节驱动要求满足响应速度快﹑运行稳定及精度高等性能指标,其关键是通过转矩控制及位置调节器设计来满足要求;首先针对非理想反电势的永磁交流伺服机,对转矩构成进行了推导,分析了转矩和反电动势、占空比的关系,提出了一种基于离线反电势测量实现了抑制转矩脉动的控制方法;其次,位置伺服采用了模糊自适应PID控制器实现位置的快速跟踪控制,采用此法能够克服单纯使用PID控制存在的超调和振荡,使系统输出超调明显减小,定位精度得到提高。在实验系统中,采用以英飞凌公司的XC167CI控制系统和功率MOSFET逆变器组成的伺服系统,实现了速度阶跃响应时间<20ms,速度稳定精度±2%,转矩精度±1%。整个过程速度响应迅速又运动平稳,位置能也迅速跟踪给定信号,且位置响应无超调;证明所提出的方法对于提高系统的性能是有效的,最后将其成功应用于自行研制的高压输电线巡检机器人控制系统中,获得了满意的效果。     

带式输送机多机变频驱动功率平衡控制研究

针对多机驱动带式输送机在负荷变化、加减速过程中极易出现因功率不平衡而造成电动机过载甚至损坏等问题,依据转矩分配原则推导出电动机转矩分配公式;采用变频驱动的主从控制方法,主机为速度、磁链闭环的矢量控制,从机为速度级联下的转矩控制,主、从机在转矩分配给定情况下进行转矩闭环控制;建立了功率平衡控制系统模型,并给出了双电动机拖动功率平衡控制系统结构。Matlab仿真结果表明,在负荷变化、加减速过程中各电动机输出转矩可实现按比例分配,证明了功率平衡控制系统的有效性。     

基于高阶滑模速度控制器的异步电机模型预测转矩控制

针对三相异步电机驱动系统,提出一种基于高阶滑模速度控制器的模型预测转矩控制策略.为了降低负载扰动对系统运行性能的影响,设计一种基于二阶Super-Twisting滑模技术的速度环控制器,以代替传统PI速度控制器,并应用Lyapunov稳定性理论对其稳定性和鲁棒性进行分析,得到使速度控制系统收敛的参数范围.为了提升转矩控制精度,基于异步电机的数学模型,采用模型预测转矩控制理论,以转矩和定子磁链为控制目标设计评价函数,得到最优输出电压矢量驱动电机运行.仿真结果表明,所提出的控制方法能有效提升系统对负载扰动的鲁棒性,并有效降低转矩波动,使电机具有良好的动态和静态运行性能.     

上肢康复机器人等速运动控制算法的研究

等速运动康复的目标是保证人的手臂在用不断增加的力矩驱动机械臂转动时,机械臂转速始终被控制在预设值不变,且人机的肩关节轴要动态对齐。针对上述要求,通过采集机器人关节伺服电机电枢绕组中的电流值和转子的转速,确定外力矩、电机力矩和转速之间的关系,据此建立等速运动控制算法,并以人手臂肩关节的屈展角度为变量,找出机器臂肩关节轴在高度方向对齐人肩关节轴的函数关系,进而建立了考虑速度和位置双重因素下的人机肩关节轴动态对齐控制算法。通过将上述控制算法用于实物样机的控制,证明了控制算法的正确性。该研究为控制上肢等速运动康复提供了参考。     

基于ANSYS的工业机器人PMSM转矩波动抑制技术

针对当前PMSM控制技术在抑制PMSM转矩波动的过程中,容易受到磁链波动的影响,导致输出绕组电流范围较小,PMSM转矩波动抑制效果差的问题,提出了基于ANSYS的工业机器人PMSM转矩波动抑制技术;通过分析工业机器人机械臂模态结构和静力模型,设计封闭曲柄差动轮系的摆线针轮减速器的传动装置,利用腕部驱动结构,实现工业机器人转动和直线升降运动;分析PMSM转矩波动惯量及力矩,根据PMSM工作流程,为PMSM提供稳定的交流电流;通过构建PMSM数学模型,运用ANSYS有限元分析软件中宏命令,确定磁链矢量方向及定子同步旋转坐标系,对PMSM电机电磁转矩、磁链和转动力矩进行计算,结合转矩方程抑制波动,通过引入负载角改善电机运行性能,实现PMSM转矩波动抑制;实验结果表明,基于ANSYS的工业机器人PMSM转矩波动抑制技术抑制后最高输出绕组电流为24 A,最低为-22 A,与理想输出结果一致,能够有效增大输出绕组电流范围,具有较好的PMSM转矩波动抑制效果.