关键词： 空间机械臂   系统设计   动力学建模   柔顺力位控制   外力估计  

摘要： 随着我国航天事业的蓬勃发展,空间维修技术已经成为了航天科技领域的一个研究重点。空间机械臂作为空间维修任务的主要执行机构,具有高精度、自主性以及大负载自重比等特点。针对空间维修的需求,本文在现有理论基础上对机械臂系统设计、动力学建模以及控制等问题展开深入的分析与研究。首先,对空间维修任务需求进行分析。根据任务需求设定了机械臂性能指标,进而确定了机械臂构型以及关节设计方案,并介绍了机械臂建模的理论基础。然后,对机械臂进行动力学建模以及仿真软件开发。通过对机械臂进行运动学建模,得到了旋转变换矩阵和关节运动参量。在此基础上,使用Ju-Kane法对机械臂建立动力学规范型方程,并分析了建模方法性能。为了完善动力学模型以及提高控制稳定性,对关节摩擦建立Gauss模型,采用混合型遗传算法辨识该模型参数,并进行仿真与实验验证。基于VS平台和MFC框架开发了动力学仿真软件,验证了建立的动力学模型的正确性。最后,基于建立的动力学模型进行机械臂柔顺力位控制与末端外力估计。针对机械臂快速轨迹跟踪的需求,采用改进预测控制方法来实现。当机械臂与环境未接触时,采用模糊变边界层的滑模控制方法来实现力位控制,保证系统强鲁棒性的同时还减小了抖振。当机械臂与环境接触时,采用自适应调节阻尼系数的阻抗控制方法来实现柔顺控制,提高了系统对环境的鲁棒性。针对无末端力传感器的机械臂外力估计需求,采用基于广义动量的卡尔曼滤波算法来实现末端力估计。编程仿真程序验证了控制方法及外力估计方法的正确性。

关键词： Rv1592c   lipase   isonazid resistance   mutation   M. tuberculosis   molecular dynamics  

摘要： Background: Multi drug-resistant tuberculosis is a major health threat to humans. Whole genome sequencing of several isoniazid (INH) resistant strains of M. tuberculosis revealed mutations in several genes. Rv1592c was demonstrated as lipolytic enzyme and its expression was up-regulated during isoniazid (INH) treatment. The valine at position 430 of Rv1592c was mutated to alanine frequently in the INH resistant strain of M. tuberculosis. Methods: In this report, an array of computational approaches was used to understand the role of Va1430-Ala mutation in Rv1592c in INH resistance. The impact of mutations on structural stability and degree of INH modification was demonstrated using the molecular dynamics method. The mutation in the Rv1592c gene at V430 position was created by the PCR primer walking method. Mutant and wild type gene was cloned into E. coli-mycobacteria shuttle vector (pVV-16) and expressed in Mycobacterium smegmatis system. The isoniazid susceptibility assay was performed by agar plate culture spot and CFUs count assay. Results: This study demonstrated that the Va1430 in Rv1592c makes the part of flap covering the substrate binding cavity. Mutation at Va1430-Ala in Rv1592c caused the displacement of the flap region, resulting in uncovering a cavity, which allows accessibility of substrate to the active site cleft. The Va1430-Ala mutation in Rv1592c created its structure energetically more stable. RMSD, RMSF and Rg simulation of mutant maintained overall stability throughout the simulation period while the native protein displayed comparatively more fluctuations. Moreover, docking studies showed that INH was bound into the active pocket of the mutant with considerable binding energy (-6.3 kcal/mol). In order to observe constant binding for INH, complexes were simulated for 50 ns. It was observed that after simulation, INH remained bound in the pocket with an increased molecular bonding network with the neighbor amino acid residues. In vitro studies cl

关键词： 机械手   核电   遥操作   拆卸作业  

摘要： 核电是我国能源可持续发展的重要组成部分,是国家战略性资源。经过30多年的发展,中国已成为核电大国,随之而来的核设施退役问题也迫在眉睫。核设施退役是一项非常复杂的系统工程。随着退役工作的深入开展,相当一部分退役工作难点集中在辐射量高,空间受限度大的工作场所,如“0”平面以下的退役设备室,常常涉及到工艺设备、管道的拆除。由于核设施退役设备室中放射性较高,空间狭窄,而目前高辐射作业环境中多采用人工操作的方式,自动化和智能程度较低,为了保护拆除人员安全,避免遭受大量辐射,具备遥操作控制功能的拆卸作业机器人系统成为重要和必需的核退役装备,其技术研究和应用水平也成为一个国家核工业技术发展的重要标志之一,目前核电机器人的关键技术主要包括抗辐照技术、可靠通信技术、智能控制技术等,对于这些关键技术,我们国家科研人员经过多年的研究,也取得了不小的成果,但是在试验应用过程中还是暴露了不少问题。因此,对核电动力机械手遥操作控制技术的研究具有重要的理论意义和实践价值。本文主要对一种五转一平移的六自由度核电动力机械臂的遥操作控制系统进行设计与研究。通过远程上位机操控系统对机械臂进行遥操作控制以及现场数据,实时图像采集显示,并与下位机控制系统进行交互。具体研究内容包括:(1)根据核电动力机械手操作的功能需求,制定控制系统的总体方案,运动控制方案、绘制电气原理图、各单元器件选型、遥操作控制程序以及交互界面程序的设计。(2)针对核电动力机械手的设计结构,对其构建改进后的D-H模型(MDH模型),并进行正、逆运动学分析和数学推导,求得正、逆解。采用蒙特卡洛法对机械手的工作空间进行求解运算。利用MATLAB的机器人仿真工具箱对机械手仿真,在此基础上对正逆运动学求解和工作空间进行分析,并验证其正确性。(3)基于固高科技NC610控制器,以QT为开发平台,实现对机械手伺服模块的运动控制并设计下位机控制系统交互界面;使用PXN系列遥操作手杆,结合Direct Input游戏手柄开发函数库,开发实现上位机控制系统端的遥操作功能;利用研华工控机作为上位机系统PC,进行实时视频图像的采集,并利用Socket通信技术,实现下位机机械手运动控制系统和上位机系统的双向通信,从而保证遥操作控制命令、状态信息等数据的传输,采用TCP协议也保证了数据传输的准确性和可靠性。(4)最后,搭建核电动力机械手控制系统实验测试平台,分别对其进行功能测试,Socket通信效率测试和系统稳定性测试。实验结果表明,搭建的核电动力遥操作控制系统具有良好的稳定性,并且能够实现精确定位,满足了其控制系统的功能和指标要求。

关键词： Magnomechanical phonon laser   Non-Hermitian photonics   Quantum noise   Coupled waveguides   Optical damping and gain   Entangled light fields   Gain saturation   Simulated phonons  

摘要： In this dissertation, we have investigated quantum dynamics via three case studies. First, we studied a system of two coupled waveguides respectively carrying optical damping and optical gain in addition to squeezing elements in one or both waveguides. Such a system is expected to generate highly entangled light fields in the two waveguides. We, however, show that the degree of the created entanglement is significantly affected by the quantum noises associated with the amplification and dissipation. Because of the noise effect, one can only have nonzero entanglement for a limited time interval. Second, we generalized the first project by considering the gain saturation effect. The nonclassical properties of light are highly relevant to the gain saturation that influences the quantum noise. We explained the impact of gain saturation on a quantum light field dynamically evolving in the coupled system. In contrast to the ideal situation without gain saturation, one can achieve a steady state under the gain saturation. Moreover, gain saturation reduces the influence of amplification noise and thereby better preserves such quantum features as entanglement. We illustrate the effects of gain saturation by examining the time evolution of the Wigner function, the entanglement of the light fields, and the cross-correlation function between the two output modes. Significant differences exist between unsaturated and saturated situations, especially for low photon numbers. Finally, we studied a magnomechanical phonon laser beyond the steady-state that includes a microwave cavity with a ferromagnetic sphere installed in it. The system is simultaneously driven by a microwave field and a constant magnetic field. Using the decomposition of the time evolution operator, we linearize the equations of motion and solve them numerically. Our results show there is an oscillatory population inversion between the optical supermodes. However, it is possible to obtain stimulated phonons with r

关键词： 空间机械臂   行星齿轮传动   齿侧间隙   动力学响应   模态分析  

摘要： 随着中国航空航天科技的发展,空间机械臂作为太空环境中配合航天员展开工作的核心装备,急需对其展开研究。传动关节作为空间机械臂的核心部件,其运动精度与稳定性对完成太空作业的影响尤为明显。行星齿轮机构作为传动关节的重要组成部分,其运动的稳定性直接影响着机械臂的工作精度。因此,本课题以某空间机械臂上的行星齿轮传动系统为对象,完成对传动机构的三维建模、动力学建模、数值求解及动态特性分析等工作。本文的主要研究内容如下:(1)在查阅国内外相关文献的基础上,分析行星齿轮传动系统非线性动力学的研究现状及其最新进展,总结了空间机械臂中行星齿轮传动机构研究的成果与不足。根据空间机械臂行星齿轮传动机构相关参数,对总体传动机构进行三维建模,为模态分析提供基础,并计算其总传动比。(2)分析了系统传动误差的四个主要因素:啮合刚度、综合啮合误差、齿侧间隙及啮合阻尼,在此基础上选用质量集中法建立行星齿轮传动系统的非线性动力学模型。借助5阶变步长Runge-Kutta数值积分法对动力学方程组进行求解,并分析在不同误差因素变化等情况下,对系统的动态响应影响。结果表明:当齿隙增大时,齿轮的振幅随之增大,齿轮扭转振动变得更加剧烈;当啮合误差增大时,系统响应出现分叉,周期性变得混乱,随着啮合误差持续增大,系统混沌响应的范围也在增加;当激励频率增大时,系统会经历一系列单周期、多周期及混沌运动的变化。(3)在三维模型的基础上,建立传动机构的有限元模型,并进行模态仿真分析,研究了传动机构前六阶振型与固有频率,通过与理论模型计算值进行对比验证了理论模型的正确性。引入了模态能量的概念,在系统的固有特性的基础上,对系统在不同工况下各阶模态振动能量分布进行了分析。分别计算了在启动、稳态及急停工况下,系统前四阶振动的模态能量比值,分析了不同工况及间隙大小对系统振动变化趋势的影响:齿轮的非稳态振动中,主要由高阶模态振动主导;齿轮稳态振动过程中,振动主要表现为低阶模态振动。论文研究内容为进一步研究行星齿轮传动系统的动态特性及结构优化奠定了基础。

关键词： 水下机械臂   水动力学   惯性水动力   粘性水动力   牛顿-欧拉法   动力学分析  

摘要： 水下机器人可替代人类在未知与危险环境中探索作业,被广泛应用于海洋勘探、核电维检等水下任务,集特殊性与复杂性于一体的水下工作环境对机器人的作业精度及可靠性提出更高要求。水下机械臂作为水下机器人的重要组成部分,其动力学模型是灵活作业与精准控制的重要前提,但现有水下机械臂动力学研究存在未充分考虑水环境影响的问题,以致水下机械臂动力学模型构建的精确性与完整性亟待提升。针对上述问题,本文开展基于计算流体力学的水动力学数值计算研究,实现基于水动力学的水下机械臂动力学模型分析与建立,通过模拟仿真与实验验证方案准确性。本文的主要研究内容如下:1、针对水动力学深入分析现有研究方案,总结适用于大多数水动力学研究的一般假定条件,补充惯性水动力及粘性水动力特有的假定条件;分析解决水动力学问题的两大基本控制方程,选定二方程模型k-ω为合适的湍流模型;基于Morison公式建立由水阻力与附加质量力形成的惯性水动力数学模型,基于泰勒展开式建立由位置力、旋转力与耦合力形成的粘性水动力数学模型,并提取各模型中需求解的未知系数。2、基于计算流体力学分析求解水动力学模型中的未知系数,通过模拟不同工况下机械臂的水下运动,测定并分析机械臂的受力情况;采用理论分析与数值计算相结合的方法分别计算以水阻力、附加质量力为核心的惯性水动力学系数和以位置力、旋转力、耦合力为核心的粘性水动力学系数,建立完整且符合实际工况的水动力学模型。3、基于牛顿欧拉法建立机械臂动力学方程,分别推导外推迭代与内推迭代动力学算法的计算公式,并针对所研究机械臂进行具体的分析与计算;考虑所研究机械臂的运动及受力情况,具体分析水下机械臂的摩擦力影响与浮力影响;基于广义化水下机械臂动力学方程,系统整合动力学模型、水动力学模型及其余影响因素所建数学模型,建立完整的水下机械臂动力学模型。4、针对三种不同机械臂尺寸模型及六种不同运动工况,搭建水下机械臂与水体环境的仿真及实验平台,仿真模拟静水环境中水下机械臂运动,通过比较水动力仿真力矩值与水动力学模型计算力矩值,验证水动力学模型建立的准确性;实验测定静水环境中水下机械臂驱动力矩值,与水下机械臂动力学模型计算力矩值相比较,验证基于水动力学的水下机械臂动力学模型建立的准确性。

关键词： 液压机械无级变速器   动力学   动态响应   PID控制  

摘要： 双行星排液压机械无级变速器(Double Planetary Row Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission)是混合式液压机械无级变速器的一种,该结构采用了两个行星排实现功率分流和汇流,通过连续调节液压部分的排量比来影响输入端输出端的传动比,从而实现更宽的调速范围。本文所研究的双行星排液压机械无级变速器也是按照大速比调节范围所设计,要实现实际工程运用,必须对其动力学特性进行研究。本文对液压机械无级变速器的近年发展情况作了概述,总结出其中大部分的研究集中在静态调速特性方面,对于动力学特性研究较少,从而确定了本文研究的主要内容。首先推导了系统结构的转速方程、加速度方程,以及非平衡状态下的动力学方程。通过对三条功率流的分析,指出了不存在功率循环下的可用排量范围。结合已推导的方程,在可用排量比的范围内得到各轴的转速变化图。由于马达性能是限制系统最大输出力矩的瓶颈,根据马达的压力和排量就能推导出变速器最大输出力矩与排量比的关系图。接着是对泵马达回路特性进行分析,将泵和马达的转速比转换为泵马达的排量比,分析了内泄漏对排量比的影响,以及排量比变化率的可控变化范围。分析已推导得出的动力学方程,绘制出各个齿轮相互作用力、泵马达的力矩与排量比和排量比变化率的关系图,分析各因素的影响,从而指出系统动态变化过程中排量比变化太快造成部分齿轮受力急剧增大,需要对其变化率进行限制。然后是设计无级变速器的PID控制策略,以目标转速与实际转速的偏差为输入,排量比变化率为输出。以动力学方程为依据,在Simulink中建模,仿真分析在负载力矩和目标转速发生变化时,系统输出转速以及排量比的变化过程,结果表明此结构的无级变速器目标转速变化时响应快,动态特性好,负载阶跃和冲击作用下的响应相对较慢,在周期变化负载作用下,输出转速波动较大,动态特性较差。最后是在AMESim中通过系统内置的泵马达、齿轮等弹性元件建模,采用相同的控制参数,最初的输出在稳态时存在高频振荡,对PID控制信号低通滤波后,输出转速趋于稳定,对比Simulink中仿真的结果,系统的动态响应特性基本一致。

关键词： 线驱动柔性机械臂   多柔体动力学   动力学仿真   碰撞过程  

摘要： 随着航天事业的发展,太空碎片的清理日益受到人们的重视。与传统刚体机器人比,软体机器人在抓捕目标时的自适应能力强、冗余度高,成为近年来的研究热点领域之一。软体机器人按照驱动方式可以分为,流体弹性驱动、线驱动、热驱动、光驱动、电驱动、记忆合金驱动和电活性聚合物驱动等。目前,国内外对软体机器人的研究重点为结构和驱动方式创新,研究过程较为耗材费时,较难实现针对无重力等特殊环境下的实物模型实验。本文以线驱动柔性机械臂为研究对象,提出了一种多柔体动力学建模方法,分析了柔性机械臂捕获装置在无重力环境下抓取目标物体过程中的动力学特性,研究了捕获装置抓取目标物体过程中的碰撞问题。首先,基于拉格朗日方程和有限元方法,建立了柔性机械臂的多刚体动力学模型和多柔体动力学模型;其次,进行了计算模型与实物柔性机械臂运动轨迹和变形状态的对比;再次,在精度较高的多柔体动力学模型的基础上,分析了影响模型弯曲轨迹和变形状态的动力学因素;最后,通过动力学仿真分析了柔性机械臂捕获装置在无重力环境下捕获目标物体过程中的内力变化,研究了驱动力和阻尼比对柔性机械臂捕获装置的捕获范围和抓取碰撞力的影响。研究表明,本文建立的多柔体动力学模型能够较好地模拟线驱动柔性机械臂的运动轨迹和整体变形状态。驱动力和阻尼比对线驱动柔性机械臂捕获装置在无重力环境下的捕获轨迹和碰撞力均有影响。碰撞力与驱动力正相关,与阻尼比负相关;捕获范围与碰撞力变化趋势相反。在捕获装置模型抓取过程中,四根柔性机械臂的弯曲内力均会有一个激增,与球形目标物体接触点位置附近的内力最大。

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、

关键词： 设备机房   巡检机器人   斜坡和转弯行走   机械系统设计   静力学分析   动力学仿真  

摘要： 随着人工智能科技的发展,机房智能化安全管理和运维将成为必然趋势。为了实现机房巡检的自动化、智能化,国内多家企业和科研机构开始研究应用于机房设备巡检的移动机器人。为了克服现有轨道式巡检机器人机械系统存在的不足,本文研发设计一款新型轨道式机房巡检机器人,用于代替人工对机房设备进行巡检,有效避免人工巡检存在的安全隐患,提高设备巡检的效率。本文在调研分析国内外巡检机器人研究现状的基础上,结合机房内部环境特点,提出了一款由轨道系统、行走系统、伸缩系统三大模块组成的新型轨道式机房巡检机器人机械系统,可以满足水平、斜坡和转弯行走以及升降的需要。在确定新型配电轨道的截面形状和安装方式之后,完成了行走系统传动机构、导向机构、取电装置以及一种多级丝杆逐级联动伸缩系统的方案设计和详细结构设计。整个机器人可从轨道上任意位置快速拆卸取下,伸缩系统结构紧凑、伸缩比较大。针对机房巡检机器人爬坡、转弯两种典型工况,基于力平衡条件和接触变形协调条件,建立了机器人整体的静力学模型,求解了轨道与所有导向轮之间的接触状态和接触力;考虑结构约束和避免运动干涉要求,获得了机器人行走的最小转弯半径。根据力分析计算数据,完成了行走系统驱动电机和伸缩系统驱动电机的选型。针对所设计的轨道梁结构,基于有限单元法分别对轨道梁横截面结构参数和轨道梁的安装跨距进行了静力学分析和参数优化。利用ANSYS Workbench对机器人的关键零部件进行了承载能力分析,结果表明所设计的机器人结构满足强度和稳定性要求。建立了机房巡检机器人机械系统的虚拟样机模型,利用ADAMS软件对其进行了动力学仿真,研究了行走系统、伸缩系统单独工作和组合工作多种工况下驱动电机输出扭矩随时间的变化,仿真结果表明驱动电机选型合理。研制出第一代物理样机,验证了机器人机械系统设计的可行性和功能实现的有效性,为该类巡检机器人后续的设计完善和推广应用提供了依据。