关键词： 柔性机械臂   运动学   动力学模型   轨迹规划   优化   控制   振动抑制  

摘要： 随着工业4.0时代的到来,机器人行业受到世界各国的高度关注。许多国家将机器人技术水平作为衡量国家高端制造业和科技创新水平的重要标志之一,甚至把发展机器人产业上升为国家重要战略之一。机器人运动学与动力学、机器人轨迹规划、机器人控制系统成为人们研究的热点。柔性机械臂作为机器人学中一个重要的执行部件,其动态性能、响应速度、控制精度等将直接影响机器人的整体性能。规划可行的轨迹是实现控制的前提条件,精确的动力学模型是实现高精度控制的基础,而控制是柔性机械臂的核心,因此研究如何建立精确的柔性机械臂动力模型,如何设计最优轨迹规划,以及如何设计强鲁棒性、高稳定性的控制系统实现运动控制和有效的振动抑制具有重要的理论和应用价值。虽然当前的柔性机械臂研究取得了比较丰富的理论和应用成果,但是山于柔性机械臂自身系统的复杂性、工作环境的复杂性等因素存在,建立的动力学模型的精确度以及设计的控制系统的稳定性、鲁棒性还远远不能满足要求。另一方面,柔性机械臂的运动轨迹规划的优化和其振动抑制研究还不够成熟。为此,本文拟对柔性机械臂开展以下几方面的研究工作:首先,建立柔性机械臂的运动学模型,其中包括用D-H法求解正运动学模型和用几何法求解逆运动学模型,仿真验证了柔性机械臂的正运动学和逆运动学的正确性。运动学为后面动力学建模和轨迹规划提供理论基础。然后,使用线性弹簧模型和Spong模型对柔性机械臂的柔性关节和柔性连杆进行合理的简化,在此基础上研究建立柔性机械臂的动力学模。针对三种不同类型的柔性机械臂分别建立它们的动力学模型,仿真分析并总结柔性机械臂动力学模型的特点,为后续柔性机械臂的控制系统设计提供参考。再然后,提出了一种基于PSO算法的柔性机械臂最优轨迹运动规划算法。该算法是以能量、关节阶跃和末端路径为优化目标,用PSO算法对三次多项式插值进行优化。仿真实验表明,该算法能大大地优化目标,证明了该算法的有效性和可行性。最后,基于已建立的柔性机械臂动力学模型,提出了一种RBF自适应控制算法,并用Lyapunov法对柔性机械臂进行稳定性和收敛性分析。仿真对比研究表明,该控制算法具有误差小、良好的稳定性和强的鲁棒性等特点,这表明该算法可以实现性能较好的运动控制。为了抑制柔性连杆振动,在柔性机械臂中点位置安装压电制动器,使用RBF自适应控制算法对柔性机械臂进行主动振动抑制。仿真表明,使用该方法进行主动振动抑制并可获得良好的振动抑制效果。

关键词： 关节间隙   空间机械臂   微重力环境   动力学特性  

摘要： 现代制造业对于机构提出了更高的要求,在航空航天领域体现得更为明显。机构运动副关节间隙的客观存在于各种类型的机械系统内,对于间隙问题受到众多国内外学者的研究。在轨道空间机械臂由于外层空间的环境,机械臂的动力学特性的研究更为复杂。本文以含间隙的二连杆空间机械臂为研究对象,结合静力学分析与动力学相关理论进行分析,本文主要进行了如下几个方面的研究:首先,对于间隙的问题,阐述了不同方式描述间隙的方法。关于间隙问题进行了数学描述。分析了不同的碰撞接触力模型,确定了以L-N为接触模型。其次,关于含间隙的机械臂分别对于在重力环境和微重力环境下的静力学分析得出了关于含间隙情况下应力图和应变图。最后,建立了关于含间隙的机械臂的运动学和动力学模型,利用仿真软件,分别进行理想间隙和设计间隙条件下,间隙尺寸,驱动速度快慢,不同重力系数,不同关节材料副,不同惯性负载条件,不同连杆长度等物理属性变化下对于机械臂的动力学特性影响,较为全面考虑分析了各种影响因素对于空间机械臂的影响。

关键词： 卓越工程师教育培养计划   材料成型及控制工程   机械设计制造及其自动化  

摘要： 2014年1月原机械与材料学院更名为机械与动力学院,学院现设有机械设计制造及其自动化、机械电子工程、材料成型及控制工程、工业工程、能源与动力工程、核工程与核技术六个本科专业,其中机械设计制造及其自动化为国家特色专业、第二批卓越工程师教育培养计划专业和省本科品牌专业,材料成型及控制工程为第三批卓越工程师教育培养计划专业。拥有机械工程一级硕士点、机械工程专业学位点、机械工程领域工程硕士点、工业工程专业学位点,机械制造及其自动化为湖北省

关键词： Molecular biology   Biochemistry   Health sciences   Physiology   Biophysics  

摘要： There are numerous diseases known to affect contractility of the three major types of muscles in humans: smooth, skeletal, and cardiac. A current problem in the field of muscle biophysics that this dissertation will address is that there is a lack of an integrated approach to understanding the underlying mechanisms (kinetic and structural) of factors that perturb the normal function of the contractile apparatus. Due to the complexity of muscle, the most often used approach to probe the kinetics and mechanics of the system is the in vitro motility assay. These assays are useful because experimental conditions can be tightly controlled and specific effects of a single perturbation can be discovered. We have recently developed a novel in vitro motility assay (Mf/A assay) that allows us to measure unloaded sliding velocities (V) of myosin filaments (Mf) moving over surface-attached actin (A). This assay is more ‘muscle-like’ and avoids some of critical disadvantages of the standard in vitro motility assay (A/Mm assay) where actin moves over surface-attached monomeric myosin (Mm). In this dissertation, we further develop this assay and others, and show that when myosin is in its physiologically functional filamentous form, classical models of actomyosin mechanochemistry cannot explain the observed results. Instead we use these novel assays to develop a novel model of actomyosin mechanochemistry called the mixed-kinetic model. This model incorporates structural, kinetic, and mechanical components that were previously unrecognized as important affecters of muscle contraction and provides a powerful tool to analyze data from all types of motility assays. In this model, velocity is influenced by kinetic constants defining myosin attachment to actin as well as myosin detachment from actin. The relative contributions of each vary with p, the probability that a myosin head will remain attached to actin long enough to reach the end of its S2 tether (distance dictating the length

关键词： 南水北调   渠坡   割草机   有限元分析   动力学仿真  

摘要： 南水北调作为我国的的重大战略性基础工程,对优化我国南北地区水资源配置具有极大意义。南水北调工程在发挥巨大社会效益的同时,其工程自身的绿化维护、堤坝保护问题也是社会各方面一直关心的问题。南水北调中线输水渠道坡比是1:2和1:2.5两个标准,坡度也就是40-50°,渠坡长9m左右。南水北调两岸渠坡种植的是植被草木,起到美化环境、保护水质的作用。本文通过实地考察南水北调中线工程实际情况,设计了一种适用于南水北调大跨度渠坡割草机械设备,全文主要研究工作包括以下内容:根据南水北调渠坡特点,确定了渠坡割草机的总体方案,利用三维建模软件Solidworks建立了割草机的机架结构、机头结构、传动系统、集草箱结构,并确定了各零部件所用材料,计算出各零部件重量。利用有限元分析软件Workbench对渠坡割草机模型进行仿真,得到了渠坡割草机机架和传动钢丝绳的应力和应变云图,机架最大应力出现在钢丝绳牵引机架连接处为59.62MPa,最大位移变形出现在机架中部为3.21mm,均能满足设计要求。对渠坡割草机的机架进行模态分析,计算得到了机架前六阶的固有频率和振型,得到了振幅较大的部位,其最大振幅为3.15mm。将渠坡割草机三维模型导入ADAMS中,进行了动力学仿真,分析了机头运动过程中发生的位移和加速度变化和前后机架连接的旋转轴受力情况。本文完成了对渠坡割草机的理论方案,为渠坡割草机试验样机的制造提供了理论依据和参考。

关键词： 间隙   干摩擦   颤碰   粘-滑振动   分岔  

摘要： 间隙和干摩擦等非线性因素广泛地存在于高速列车的轮轨系统、制动系统等车辆动力学系统中,影响各类车辆系统的运行性能。为提高各类载运工具运行的安全性和稳定性,给系统参数的设计和系统的综合优化控制等提供依据,本文着重考虑存在于各类车辆系统的间隙、摩擦等非光滑性因素,建立了含干摩擦和间隙的理论力学模型并分析其动力学特性。对该类模型的研究能从一定程度上反映各类车辆系统在非光滑因素影响下的运动规律,给非光滑动力学理论在实际车辆系统中的应用提供依据。本文研究两类含间隙和干摩擦系统的力学模型,结合Poincaré映射方法和数值仿真,分析这两类系统在各频率范围内的动力学行为特征,并考虑了系统各参数的变化对系统中存在的各类周期运动的多样性、存在区间以及冲击速度的影响,揭示了该类系统的非光滑特征与参数变化时其动力学行为的转迁规律。首先建立了单自由度含干摩擦的机械碰撞振动系统的力学模型,并通过数值仿真对其动力学特性进行分析。研究结果表明:由于干摩擦的存在,系统存在粘滞-滑动的运动状态。粘滞现象存在的频率范围较为分散,大部分周期运动或混沌运动窗口中都存在包含粘滞现象的频率区间,但各类存在粘滞现象的运动所占的频率范围较窄。在低激振频率区间,p/1基本冲击运动和颤碰运动为系统的主要运动形式。当激振频率减小时,p/1运动会经历一系列Grazing分岔使碰撞次数逐次增多最终进入颤碰运动;当激振频率足够小时,系统无粘滞的颤碰运动又经一次Sliding分岔转迁为具有粘滞特性的完整颤碰-粘滞运动。同时在摩擦力的影响下,系统颤碰运动可能出现与传送带粘滞、与碰撞面粘滞两次粘滞现象,出现粘-滑-颤碰-粘滞的现象。系统在中高频区间存在1/n亚谐周期运动序列。系统1/n运动会随着激振频率减小经历Grazing分岔和逆倍化分岔转迁为复杂的亚谐冲击运动或混沌运动,最终1/n运动一个运动周期内的激振周期数减少演化为稳定的1/(n-1)运动。系统中存在的Grazing分岔分为Real-grazing分岔和Bare-grazing分岔两类,系统经Real-grazing分岔使一个运动周期内的碰撞次数减少一次,直接进入另一类稳定的周期运动;经Bare-grazing分岔会发生擦边失稳现象,诱发复杂类型的亚谐冲击运动或混沌运动。其次考虑系统参数变化对系统动力学特性的影响。分别变化系统各参数分析各激振频率范围内各类周期运动的存在性、多样性以及演化规律的变化。根据数值仿真结果,系统参数的变化会影响周期运动在频率区间的分布,使个别类型的周期冲击运动出现或消失。其中摩擦系数fu的变化对粘滞现象的影响较大,fu增大会使中高频区间内含粘滞现象的运动窗口增多,各类1/n运动逐渐消失,更复杂类型的亚谐冲击运动或混沌运动的窗口出现并不断扩展,使系统的动力学行为更加复杂。但总的来说系统各参数的变化对各类周期运动的相互转迁规律影响不大,仅在较窄的区间范围内发生细微的变化。最后以Stribeck摩擦模型描述系统中的摩擦力,建立了两自由度含间隙和干摩擦系统的动力学模型,并分析其动力学特性以及各系统参数对其动力学特性的影响。研究结果表明:两自由度系统和单自由度系统存在的周期运动类型与各周期运动之间的转迁规律十分相似,两自由度系统同样在低激振频率区间存在p/1运动和颤碰运动,产生完整颤碰-粘滞运动的机理与单自由度系统相同,且中高频区间1/n运动相互转迁的规律也与单自由度系统极为类似,但各类周期运动的分布规律与单自由度系统稍有不同,且其摩擦粘滞现象相比单自由度系统明显减少。同时两自由度系统的系统参数更多,系统动力学特性的影响因素更复杂,在某些参数区间内更易出现混沌运动或长周期多次碰撞运动等复杂的动力学现象。

关键词： DRG神经元   凹陷小窝   网格蛋白小窝   Piezo2通道   STORM  

摘要： Piezo机械门控离子通道（Piezo mechano-gated ion channel）是在2010年由Coste等发现并克隆。该通道家族含有Piezo1和Piezo2两个成员,它们在包括膀胱、结肠和肺等多种组织中表达,Piezo2在背根神经节（Dorsal root ganglion,DRG）表达丰富。Piezo通道可被机械力直接激活,产生快激活、失活动力学多变的机械及门控电流。其中Piezo2机械门控电流具有快激活、快失活特征（Rapidly adapting,RA,失活时间常数τ<10 ms）。Piezo通道是唯一公认的哺乳动物机械门控离子通道,近年来,其结构、生物物理特性、功能调节等的研究及其生理学和病理生理学意义得到越来越多的揭示。条件性敲除小鼠DRG感觉神经元Piezo2通道使其低阈值触觉显著受损。Piezo2功能缺失性突变可导致人的无毛皮肤低阈值触觉丧失、两点触摸分辨能力下降等。抑制或敲除DRG神经元Piezo2通道可消除炎性痛或神经病理性疼痛动物的机械性痛觉异常（Mechanical allodynia,MA）。因此,Piezo2生理状态下介导哺乳动物的低阈值触觉（Low-threshold touch sensation）,病理情况下介导由低阈值触觉诱发的MA。然而,目前虽已确认Piezo2是介导MA的分子基础,但其确切分子机制仍属未知。我们的前期研究证实,细胞内高渗液（Hyper-osmolarity）或细胞外低渗液（Hypo-osmolarity）促使细胞膨胀,可显著增大DRG神经元细胞膜张力,同时显著增大其Piezo2/RA电流,动物脚掌注射低渗液可诱发MA。细胞膜张力变化是Piezo2通道功能调节的重要分子基础。利用不稳定波动分析可知,在DRG神经元细胞膜张力显著增大时,Piezo2单通道电流虽有增大趋势却无显著性差异,而细胞膜上Piezo2通道的数目却增大约4倍。我们利用Western blot技术检测低渗液孵育DRG神经元后Piezo2的总表达量,无显著变化。因此,我们推测,在未见DRG感觉神经元Piezo2通道总表达量显著上调的情况下,其细胞膜张力显著增大,促使膜上Piezo2通道的数量显著上调,可能介导了炎症或神经病理性损伤时MA的产生。这显然是动员了某种储备形式的Piezo2,使之膜转位增加所致。那么Piezo2储备在哪儿呢?凹陷小窝（Caveolae）是典型的细胞膜内陷结构,呈烧瓶状或开口杯状,“瓶身”宽60-80 nm,长不超过100 nm,也被人认为是脂筏（Lipid rafts）的主要结构,富含胆固醇和鞘磷脂成分。网格蛋白小窝（Clathrin-coated pits,CCP）类似,宽60-120 nm,长不超过150 nm,因网格蛋白（Clathrin,Cla）包裹而得名,富含磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PI（4,5）P2)。一方面二者是许多信号分子、营养物质等内化（内吞）进入细胞的重要机制和途径,小窝蛋白（Caveolin,含Caveolin-1、-2和-3三个亚型）和网格蛋白分别是二者内化的装配启动分子。另一方面二者是细胞膜的“备胎”,即正常时作为细胞膜的储备（Membrane reservoir）,必要时可补充细胞膜。在细胞膜张力急剧增大时,二者可中止内化、外翻上膜并被拉平（flattening）以补充细胞膜,缓冲细胞膜张力增大,保持细胞膜完整而不被撕裂;信号分子等也随之上膜。综上所述,我们猜想Piezo2可能隐藏于DRG神经元的细胞膜内陷结构如凹陷小窝或网格蛋白小窝中。正常情况下,细胞膜Piezo2通道接受机械刺激介导低阈值触觉,内陷结构中的Piezo2通道因不能接受有效机械刺激不能表现功能;当细胞膨胀、炎症或神经损伤时,DRG神经元细胞膜张力显著增大,促使凹陷小窝或者网格蛋白小窝结构中的Piezo2通道外翻上膜,使细胞膜Piezo2通道数目显著增加,接受有效机械刺激显著增强Piezo2/RA电流而介导MA。本课题将分为两部分对DRG神经元Piezo2机械门控通道的膜动力学及其在疼痛中的作用进行研究。第一部分DRG神经元Piezo2通道膜动力学研究目的:研究Piezo2通道在凹陷小窝和/或网格蛋白小窝的分布;研究在促进内化或上膜的因素的作用下,Piezo2随小窝内化或上膜的膜动力学过程及调控机制。方法:（1）以Caveolin-1和Clathrin分别为凹陷小窝和网格蛋白小窝标志物,利用激光扫描共聚焦显微镜技术（LSCM）和全内反射激光共聚焦显微镜技术（TIRFM）、超高分辨率显微镜技术（STORM）和荧光共振能量转移技术（FRET）等研究Piezo2和Caveolin-1或Clathrin的细胞共定位关系及相互作用。（2）利用LSCM、TIRF、STORM和免疫蛋白印迹

关键词： 并联机械手   刚体动力学模型简化   伺服系统参数辨识   动力学控制  

摘要： 本文以三自由度Delta机械手为研究对象,围绕提升高速并联机械手动力学性能这一目标展开研究。首先讨论了并联机械手动力学模型的建立和简化问题,分析了传统简化方法产生较大误差的原因并提出了更准确有效的简化刚体动力学模型建立方法;接下来对伺服控制系统进行建模,并采用参数辨识方法对伺服系统中的时变参数进行辨识,获得了更高精度的伺服参数时变值;最后探讨了PID控制、动力学前馈控制等控制方法在高速并联机械手控制中的应用,并通过仿真和实验验证了提出控制方法的有效性。全文主要内容如下:并联机械手刚体动力学模型的建立和简化方面,采用矢量法建立三自由度并联机械手运动学模型,采用虚功原理建立其完备刚体动力学模型;分析了完备刚体动力学模型中各项的含义及对其进行简化的意义,接下来对前人研究提出的刚体动力学模型简化方法产生误差进行溯源分析,找到了降低简化模型精度的主要原因,并据此提出了一种双独立系数的刚体动力学简化方法,以简化刚体动力学模型与完备刚体动力学模型均方根误差（RMSE）最小为指标提出了一种确定简化系数的通用方法,通过仿真验证了提出简化方法的有效性。伺服系统参数辨识方面,首先对高速并联机械手伺服系统进行建模,获得伺服系统参数辨识模型;接下来确定了伺服电机绕组电感和电阻为待辨识参数,研究了迭代学习控制思想在参数辨识方面的应用。搭建了伺服系统参数辨识实验平台,对获得的并联机械手单轴输入信号与输出信号采用迭代学习辨识方法进行了参数辨识,获得更准确的待辨识参数的时变值。并联机械手动力学控制方面,首先建立高速并联机械手动力学前馈控制模型,推导了前馈控制降低误差的原理,并通过仿真整定了动力学前馈系数。接下来研究了并联机械手前馈+H∞控制方法以及自抗扰控制策略,针对研究对象设计了H∞控制器和自抗扰控制器。采用Simulink软件通过详细的仿真实验对上述控制方法的结果进行了分析验证,根据仿真结果发现H∞控制器会大大提高机械手鲁棒性,但对机械手动态跟随特性会产生较大影响,因此应对控制器参数进行了一定的修正,修正后的控制器在仿真实验中获得了更好的控制效果。最后借助伺服系统参数辨识控制实验平台进行了并联机械手动力学前馈控制实验,通过与传统PID控制的实验结果进行对比,验证了动力学前馈控制方法中机械手末端位置最大跟踪误差有所减小。

关键词： 木工机械   工业自动化产品  

摘要： 在经济高速发展和物质生活水平高速增长的促进下,人们对家具的个性化需求也越来越旺盛,这为木工及相关机械设备市场的繁荣带来了契机。针对市场发展需求,台达整合近年来深耕木工机械行业的成果,以及发展智能制造的经验,于2019年9月8日出席2019中国(上海)国际家具生产设备及木工机械设备展览会,分享台达近年来推出的各种木工机械解决方案以及工业自动化产品,为木工机械产业智能化发展提供动力支持。

关键词： 纯电驱动   工程机械   动力总成   变转速   变压差   分段恒功率  

摘要： 纯电驱动是工程机械实现零排放、无污染的最终驱动方式。当前,纯电驱动工程机械多采用电机替代发动机,仅简单地模拟发动机的功能,虽取得一定的节能减排效果,但并未真正发挥电机的优良调速性能和强过载能力,且动力总成的控制策略并未与液压系统的工作特点相结合,整机的节能性、操控性、动力性和安全性都有待提高。为了充分发挥纯电驱动工程机械高效节能环保的优势,有必要探寻适用于工程机械复杂工况的动力总成结构方案及其控制策略,对纯电驱动工程机械的推广具有重要意义。论文以一台8吨液压挖掘机为研究对象,通过分析其负载特性和工况特点,提出了一种以锂电池作为储能单元,采用永磁同步电机驱动内啮合齿轮泵的动力总成结构方案;为实现动力总成与液压系统相互融合,设计了一种基于变转速控制的定量泵负载敏感系统;构建了基于变转速控制的定量泵负载敏感系统的数学模型,并分析了系统的稳定性;以整机的续航能力和动力性能为要求,提出了一种动力总成参数匹配方法;提出了变压差控制策略,在低速小流量场合,通过减小系统压差来提高系统节能性,在高速大流量场合,通过增大系统压差来提高系统的操控性;提出了分段恒功率控制策略,根据动力电池组的放电特性和电机驱动系统运行状态,设置不同最大功率点,保证动力系统安全稳定运行的前提下提高动力性能;通过创建AMESim模型,验证了变压差控制和分段恒功率控制的可行性。根据系统的原理和元件参数设置,搭建了新型纯电驱动挖掘机动力总成及液压系统试验平台,结合挖掘机不同工况下的压力流量特性,对基于变转速控制的定量泵负载系统的节能性、操控性、动力性和安全性进行研究,试验验证了变压差控制和分段恒功率控制的可行性。与传统纯电驱动挖掘机负载敏感系统对比,新型纯电驱动挖掘机基于变转速控制的负载敏感系统的节能性和操控性更加优越。