关键词： 柔性机械臂   改进D-H法   工作空间   多体动力学   模态综合  

摘要： 串联机械臂(Serial Manipulator)结构简单,控制方便、安装和维护成本低廉等优点,目前已经成为工业应用最广泛的机械结构。本文以一类自主研发的七自由度串联机械臂(7 DOF Serial Manipulator,简称7DSM)为研究对象。从多体动力学角度,对机械臂性能进行系统研究,为机械臂性能分析提供必要的理论依据,对深入研究此类机器人具有重要指导意义。论文的研究内容主要包括以下几个方面:1、设计一种七自由度串联机械臂,其结构特点是具有3-1-3自由度分布,大臂偏置,相邻轴线垂直正交。2、针对了传统D-H法存在的建模不灵活的问题,提出一种改进的D-H法。并应用在该机械臂的建模过程中,保持了手腕关节坐标完整性,克服传统的D-H法建模的局限性。应用于7DSM机械臂系统,论证了改进的D-H法有效性。3、合关节变量逐点搜索法与Monte Carlo法,提出基于Monte Carlo法的概率插值方法,求解工作空间形状。并论证了该方法在求解偏置多自由度机构工作空间的优越性。4、基于Lagrange法建立多体动力学模型,综合考虑臂杆和关节柔性,建立串联机械臂的多体动力学模型,在指数映射的理论基础上,推导了用李群理论表示的Lagrange方程。5、为了进一步降低求解难度,采用多层多级子结构法对模型做进一步简化,采用Lancozos算法,求解子结构特征值。研究了不同空心系数和位姿对系统固有频率的影响。6、采用Matlab、Ansys、Adams多环境,对刚柔耦合模型进行联合仿真,分析了臂杆柔性和关节柔性对系统的固有频率和动力学性能产生影响。

关键词： Graphene  

摘要： A one atom-thick sheet of carbon exhibits outstanding elastic moduli and tensile strength in its pristine form but structural defects which are inevitable in graphene due to its production techniques can alter its structural properties. These defects in graphene are introduced either during the production process or deliberately by us to tailor its properties. This article discusses the performance enhancement of graphene by introducing pentagon-heptagon-heptagon-pentagon (5-7-7-5) defects. The effect of geometrical parameters such as the nearest neighbour distance and angular orientation between 5-7-7-5 defects on the mechanical properties and failure morphology of graphene was investigated in the frame of molecular dynamics. The mechanical properties and failure morphology of graphene was predicted to be the function of geometrical parameters between 5-7-7-5 defects. It has been predicted from the current study that the brittle behaviour of graphene can be modified to ductile with well controlled distribution of 5-7-7-5 defects. Also it has been predicted that the mechanical properties of graphene can be altered by proper distribution of 5-7-7-5 defects.

关键词： 碰撞振动   分岔与混沌   盘形制动   干摩擦   动力学行为  

摘要： 随着现代机械结构日益复杂,运动速度不断提高,由间隙和干摩擦导致的非线性振动问题广泛存在。本文建立了两种常见机械系统的动力学模型,运用理论分析与数值仿真结合的方式研究了系统在不同参数下呈现出的运动规律。主要工作内容如下:首先综述了非线性机械振动系统的国内外研究现状、意义和该领域当前存在的主要问题,给出了本文要研究的具体内容和采用的研究步骤,从解的稳定性分岔、混沌、各种吸引子、Poincaré映射和Floquet理论等方面论述了本文的理论基础。其次建立了一个三自由度直线筛分机系统的简化模型。只考虑间隙这一个可导致系统运动速度发生跳跃的非线性因素,采用Floquet理论和Matlab编程仿真的方式对系统在不同参数区间的余维一分岔和余维二分岔及其附近的动力学规律进行探索,发现该系统既存在Flip分岔和环面倍化分岔通向混沌的单一路径,又存在周期倍化分岔、Neimark-Sacker分岔和环面倍化分岔之间相互交叉、过渡,最后通往混沌的道路。发现了系统的Hopf-Hopf余维二分岔,该余维二分岔点附近的动力学行为非常复杂,表现出了类似“眼睛”、“五角星”状的拟周期吸引子。通过对此类系统在不同参数下的动力学特性进行分析,获得不同频率段系统的运动状态,可在一定程度上帮助人们选择更加恰当的振动特性参数(频率、振幅和振动力等),提高筛分机的分离效率。最后建立了一个两自由度盘形制动系统的简化模型。同时考虑间隙与干摩擦两种非线性因素,给出了系统发生粘着-滑动-碰撞运动时的临界条件,运用半解析法推导出了系统运动微分方程的数学表达式,编制Matlab程序数值仿真了系统的部分制动性能:首先分析了制动闸片和制动盘之间的摩擦力对制动系统运动规律的影响;其次对制动系统发生共振时的参数特征进行分析;最后分析了在轨道垂向激励作用下制动速度对系统垂向振动的影响,以及在轨道垂向激励引起的振动与摩擦颤振二者耦合的情况下,制动初速度、垂向激励的幅值和频率分别对该系统振动性能的影响。通过对车辆盘形制动系统在不同影响因素下的振动规律进行模拟分析,为降低制动带来的不良振动与噪声、提高列车平稳性和舒适性提供了参考依据。

关键词： 含摩擦碰撞   高次刚柔耦合   柔性机械臂   多点碰撞  

摘要： 本论文在高次刚柔耦合理论基础上,对柔性杆柔性铰机器人含摩擦碰撞全局动力学的建模与算法问题进行了研究。柔性机械臂的含摩擦碰撞问题是最具挑战性的问题之一,广泛存在于各个工程领域中,例如:机械臂、大型雷达天线、太阳能电池板、运输车辆、制造设备,以及仿生肌肉骨骼系统等等。尽管已经取得了一系列重大进展,但由于该问题涉及到耦合变形的高度非线性、高瞬态的接触变边界非光滑性、粘滞与滑移的物理非光滑性、以及数值求解等问题,实现复杂多体系统的大规模计算机模拟仿真仍然是时下一个非常复杂的任务,因此对柔性机械臂的含摩擦碰撞动力学问题的建模与分析研究在理论发展和工程应用上的具有重要的价值和意义。本文的研究内容以及成果主要有:建立了含有多杆和多铰的机械臂的高次刚柔耦合动力学模型。系统由n个柔性杆和n个柔性铰链接构成。采用4×4齐次变换矩阵描述系统的运动。柔性铰简化为含质量效应的线弹性扭转弹簧。柔性杆的变形考虑横向、纵向、扭转、以及横向变形引起的纵向缩短,即高阶几何非线性耦合项。采用递归策略得到可适用于计算机编程和实时仿真的高次刚柔耦合动力学方程。编写了通用的C++多体动力学软件。通过仿真算例,研究了刚柔耦合模型与传统零次耦合动力学模型各自的适用范围,对系统在重力场中、微重力场中的大范围运动与变形进行了仿真分析,对铰的柔性效应和刚度进行了分析研究。采用连续接触力法处理多体系统含摩擦碰撞问题。引入数学规划中熵正则化方法的思想,分别建立法向碰撞和切向摩擦的光滑化修正模型以及接触/分离、粘滞/滑移切换准则,将多体系统含摩擦碰撞的非光滑力学问题光滑化处理。引入碰撞力势能的概念,运用拉格朗日方程程式化地得到碰撞产生的广义力,从而得到系统碰撞阶段的动力学方程。编写了相应的C++碰撞多体系统动力学计算模块。通过刚/柔复合摆经典算例以及Canadarm2简化模型算例的数值仿真,研究了柔/刚性铰、零次/高次刚柔耦合模型、不同接触模型、摩擦系数、指数系数等对系统响应的影响,比较了三种摩擦模型的区别。将多体系统含摩擦碰撞的非光滑力学问题光滑化处理,缩短了已有非光滑力学理论与工程实际应用之间的距离,提高了大型复杂柔性多体系统全局动力学的计算效率。采用附加约束法处理多体系统含摩擦碰撞的非光滑力学问题。基于变拓扑系统的物理思路,根据不同的系统状态,将全局动力学方程分为分离、碰撞初始、粘滞接触、滑移接触等几个阶段描述。采用冲量/动量法求解碰撞初始的速度不协调问题。根据粘滞/滑动接触条件构造附加约束法动力学方程,并给出接触/分离、粘滞/滑移切换准则,通过Baumgarte约束稳定化方法保证约束方程不违约。通过数值仿真准确揭示了碰撞点的粘滞、正向微小滑动、逆向微小滑动以及它们之间的切换等多样性的接触现象。采用互补算法处理柔性多体系统含摩擦多点碰撞问题。引入关联矩阵和四个接触点集来描述多点碰撞对的接触/分离、粘滞/滑移状态。全局动力学方程分为分离、碰撞初始、粘滞碰撞、滑动碰撞四个状态。碰撞初始速度跳跃条件采用冲量/动量法实现运动的协调。在连续接触状态中,根据粘滞/滑动、正/逆向滑动等状态构造接触约束,采用互补条件统一描述动力接触条件,得到简洁、准确且易于编程实现的碰撞动力学求解方程。通过对柔性机械臂与两障碍物含摩擦碰撞的数值仿真,研究了碰撞点位置的切换、碰撞点的粘滞/滑动、粘滞/正向微小滑动、粘滞/逆向微小滑动等接触多样性。

关键词： 右美托咪定   机械通气   镇静   镇痛   血流动力学   谵妄  

摘要： 目的:研究不同剂量右美托咪定对ICU机械通气患者的镇痛镇静效果,探讨右美托咪定合理的给药途径与剂量,为临床应用提供依据。方法:收集苏州大学附属常熟第一人民医院2014年4月至2015年10月入住ICU需机械通气的患者70例,随机分成两组。A组:起始剂量右美托咪定1.0ug/kg/h;B组:起始剂量右美托咪定0.6ug/kg/h,两组均不给予负荷量,记录患者达到目标RASS（-2+1）所需时间,记录给药时即时、给药后30min、1h、2h、3h、4h,之后每2h的心率、血压变化,比较住院期间机械通气时间,ICU入住时间,血管活性药物使用剂量,镇痛药物使用剂量。根据ICU谵妄诊断的意识状态评估法（CAM-ICU）观察并记录两组患者谵妄发生率。结果:两组患者达到目标RASS所需时间无统计学差异（P>0.05）;两组药物使用后相同时间点的RASS评分差异无统计学意义（P>0.05）;前72小时之内,两组患者处于浅镇静时间相似,无统计学差异（P>0.05）;但A组患者处于深镇静时间比B组长,差异有统计学意义（P<0.01）;A及B组患者部分时点血压、心率差异有统计学意义,A组血压、心率变化更大（P<0.05）;机械通气时间差异无统计学意义（P>0.05）;血管活性药物累计剂量差异有统计学意义,A组患者需更大剂量去甲肾上腺素（P<0.05）;镇痛药物累计剂量差异存在统计学意义,B组患者需更大剂量芬太尼（P<0.01）;谵妄发生率两组无统计学意义（P>0.05）;入住ICU时间差异无统计学意义（P>0.05）。结论:不给予负荷剂量,直接予右美托咪定维持剂量0.6ug/kg/h已能满足ICU机械通气患者镇静需求,相比较于1.0ug/kg/h维持剂量,更能达到浅镇静目标,且血流动力学变化更小。

关键词： 软接触   动力学性能   磁流变阻尼器   接触/碰撞   测试系统  

摘要： 在轨服务技术主要面向空间站建设、航天器维护及修复等空间任务,既能保证航天器的正常运行,又能减少航天器故障或失效造成的损失,具有巨大的研究价值和应用前景,是当前空间机器人技术领域的研究热点。在轨服务中,空间机械臂是主要的执行单元,在完成空间交会对接任务的过程中发挥了关键作用。本文面向一种具有软接触功能的机械臂,研制了一套动力学性能测试系统,可实现包括机械臂整体和可控阻尼单元关键部件的动力学性能测试。本论文的研究内容来源于国家自然科学基金资助项目(51305039)和中央高校基本科研业务费专项资金项目(2014PTB-00-01),具体内容如下:首先,综述了空间交会对接技术、空间机械臂技术、软接触技术和可控阻尼器技术的研究现状,指出了本文的研究背景和立题依据;其次,分析了软接触机械臂的关节结构和工作原理,并对机械臂中的柔性部件即直线磁流变阻尼器和旋转磁流变阻尼器的结构和力学性能影响因素进行了研究。给出了一种利用凯恩方程建立的软接触机械臂动力学模型,并利用MATLAB和Adams软件进行了仿真对比,验证了动力学模型的有效性;再次,利用Adams动力学仿真软件,分别开展了刚性模式、弹性模式和弹性/阻尼模式三种工况下的碰撞动力学仿真分析,结果表明软接触机械臂在接触后对碰撞力具有明显的缓冲和卸载能力。相应地,设计了一套软接触机械臂的动力学性能测试系统,通过测试碰撞后机械臂与基座之间的耦合力变化,验证了软接触机械臂对于碰撞的缓冲和卸载作用;最后,针对直线磁流变阻尼器设计了动力学性能测试系统,完成了阻尼力-速度、阻尼力-位移和阻尼力-控制电流的的关系曲线测试;针对旋转磁流变阻尼器设计了动力学性能测试系统,完成了阻尼力矩-转速和阻尼力矩-控制电流的关系曲线测试。结果表明,两类阻尼器均具有阻尼可控的特征,测试数据为进一步实现阻尼器的模型辨识提供了可靠的依据。

关键词： 可重构机械臂   关节运动约束   Dijkstra算法   遗传算法   EV-MRobot  

摘要： 随着科技的发展,传统的机器人已经很难满足人类的需求。单一功能的机器人无法完成多种类型的工作,而针对不同任务设计不同构形的机器人会浪费资源。因此,更加灵巧,更加智能的可重构机器人应运而生。可重构机器人是一种由多种不同功能的模块组成,可以根据任务或环境的变化而改变构形的机器人。依据模块化理念进行设计,可重构机器人有着很好的柔性和灵巧性。在应对所处环境复杂、精度要求高的任务,展现了不俗的能力。现在可重构机器人已经广泛的应用到医疗、科学探险、太空探索、危险环境作业等领域中。可重构机器人的研究方向也很多,如基于任务可达性的构形优化问题、末端与环境接触时平顺控制问题、模块关节力矩观测器设计问题、多故障并发的主动容错问题等。因此,对可重构机器人的研究具有深远的理论与实际意义本文针对可重构机械臂动力学自动分解与构形优化问题进行了理论与实验研究。首先,利用齐次变换法对可重构机械臂的正运动学问题进行分析,给出了基于几何法,D-H方程直接法,D-H方程最优法的可重构机械臂正逆运动学建模方法。然后,结合旋量理论与牛顿-欧拉法建立了可重构机械臂在自由空间的动力学模型,利用雅克比矩阵分析了机械臂末端接触力与各关节力/转矩之间的转换关系,在此基础上建立了约束空间下可重构机械臂的动力学模型。接下来,针对关节运动约束下可重构机械臂构形优化问题进行了研究,将该问题转化为有向连通图最短路问题,设计了一种结合Dijkstra算法与遗传算法的优化方法对该问题进行求解。实现了能量、时间最优下的多目标构形优化,并进行了三维仿真验证。最后,利用EV-MRobot系列可重构机械臂对上述优化算法进行实验验证,并对可重构机械臂的控制系统进行了调试和分析,完成了机械臂的抓取实验。在论文结尾,对全文进行总结,并对今后的研究方向进行了展望。

关键词： Compressive strength  

摘要： This paper looks at the possibility of using low reactive volcanic ash for making geopolymer cement. The research is directed towards (a) alteration of the reactivity of volcanic ash by mechanical activation, and (b) use of mechanically activated volcanic ash for the synthesis of a geopolymer. The effect of mechanical activation was quite visible on particle size distribution and the degree of crystallinity. The disappearance of some anorthite peaks and appearance of quartz peaks in volcanic ashes milled for 120 min demonstrate the change in mineralogy. The appearance of an intense carbonate band with milling time could be related to sorption of atmospheric CO2 on the grains surface during mechanical activation. The manifestation of mechanical activation of volcanic ash was prominent on (a) the reaction kinetics, (b) microstructural development, and (c) physico-mechanical properties of the geopolymer product. The rate constant and extent of geopolymerization increased with milling time but decreased with curing temperature. This decrease is in non-conformity with other alumina-silicate materials used for geopolymerization such as metakaolin and fly ash. FEG-SEM and EDAX results revealed that the geopolymer gel obtained is mixture of poly(ferro-sialate-siloxo) and poly(ferro-sialate-disiloxo) binder type with a formula close to [Ca,Na,K,Mg]-[-Fe-O-](x)-[Si-O-Al-O-](1-x)-[-Si-O-](y). The physico-mechanical properties changed significantly. Setting time reduced by >95% in samples milled for 60 min or more. The compressive strength which was negligible for 0-30 min milled volcanic ash reached 29-54 MPa after 60-120 min of milling time. Heat curing influenced the early age (7 and 28 days) compressive strength but the 90 day compressive strength of both ambient and heat cured samples were comparable.

关键词： 滑动轴承   密封   静力特性   动力特性   动网格   不平衡同频激励法  

摘要： 滑动轴承与密封结构是旋转机械的关键部件。近年来随着旋转机械向高参数方向发展,滑动轴承产生的油膜振荡与密封产生的气流激振会严重影响旋转机械的转子的稳定性。因此开展滑动轴承与密封结构流体动力特性的研究具有重要的理论意义与工程价值。本文首先对滑动轴承与密封结构流体动力特性进行了理论与实验识别方法研究。在滑动轴承理论研究方面,本文分析了滑动轴承的工作原理,推导了Reynolds方程,分析了求解Reynolds方程的边界条件,研究了滑动轴承流体动力特性的理论模型。在密封气流激振理论研究方面,分析了密封气流激振产生的主要原因,研究了密封流体动力特性的理论模型,设计和搭建了密封动力特性实验台,提出了利用不平衡同频激励法实验识别密封流体动力特性系数。本文提出了一种能同时应用于瞬态求解滑动轴承与密封流体动力特性CFD动网格法。滑动轴承的动力特性系数是评价转子稳定性的重要参数。本文建立了基于CFD动网格技术的圆轴承、椭圆轴承与错位轴承动力特性求解模型,在验证求解模型准确性的基础上,研究了椭圆度、错位率、偏心率与转速等因素对滑动轴承动力特性的影响规律。研究结果表明,与圆轴承相比,椭圆轴承与正错位轴承各自具有两个收敛的楔形间隙,能分别形成两个流体动压区,有效增大了滑动轴承的阻尼系数,滑动轴承增加椭圆度或错位率可提高转子稳定性。引起密封失稳的主要原因有流体动压效应、螺旋形流动效应、Alford效应、三维流动效应等。针对高参数下密封流体动压效应增强,气流激振力增大的问题,借鉴错位轴承理论,提出新型负错位密封结构,将传统圆形密封周向水平中分面由圆形设计成交错形式,流体在转子旋转带动下由小间隙流向大间隙,形成两个发散的气楔,消除密封流体动压效应,抑制密封气流激振力。本文建立了基于CFD动网格法的负错位密封流体动力特性求解模型,在验证求解模型准确性的基础上,分析了偏心率、错位率等因素对密封静力与动力特性的影响规律。结果表明,负错位密封能有效降低密封流体动压效应,降低密封交叉刚度,增大密封主阻尼,增大密封等效刚度与等效阻尼,增强密封稳定性。螺旋形流动效应是使密封产生交叉刚度,导致密封失稳的主要原因。反预旋结构能有效减小密封螺旋形流动效应,而现有文献对反预旋密封的动力特性系数的实验研究较少,鲜有关于反预旋密封静力与动力特性综合研究成果报道。本文设计加工了5种无/有阻旋栅结构的密封与4种无/有反旋流结构的密封,从数值分析与实验研究两个方面分析反预旋结构对密封静力与动力特性的影响规律。建立反预旋密封静力特性CFD求解模型,数值分析反预旋结构对密封泄漏量、切向速度以及周向压力分布的影响;设计搭建反预旋密封动力特性实验台,实验测量了反预旋密封在不同压比下的泄漏量,应用不平衡同频激励法实验识别了反预旋密封动力特性。研究结果表明,反预旋结构能有效减小密封间隙内流体周向流速,周向压力差;阻旋栅结构会减小密封泄漏量,而反旋流结构会增大密封泄漏量;反预旋结构能有效减小密封交叉刚度,增大密封主阻尼,增加密封等效阻尼,提高密封稳定性。

关键词： 2F2R宏微机械臂   耦合动力学   弹性振动   运动控制  

摘要： 随着国民经济的发展和科学技术的进步,诸如特种石油装备、现代制造业、MEMS等许多领域都对机器人技术提出了更高要求,如重量轻以降低能耗,运行速度快以提高效率,定位精度高以适应特殊作业以及大的运动空间以适应特殊工作环境等。机械臂的轻量化会导致构件柔性加大,结构固有频率下降;机械臂运动的高速化导致惯性力、激振频率升高,弹性振动和运动误差增大。因此将机械臂假定为刚体的传统分析与设计方法存在很大的局限性,必须考虑机械臂弹性变形带来的不利影响才能获得更好的运动控制性能。柔性宏刚性微机械臂就是在这样一种背景下提出的结构方案,其追求的目标是既能实现大的运动空间,又能实现高精度的运动控制。目前来看,关于这类机械臂的研究,多数都基于这样一种假设,即微机械臂相对宏机械臂很小,两者的耦合问题几乎可以忽略不计。这种处理方式虽然简化了问题的分析,但却为实际宏微机械臂的设计和控制带来了困难。因为在很多应用中,微机械臂与宏机械臂并没有绝对大小之分,两者动力学耦合问题是无法回避的,目前这方面研究还很少,且不系统。基于此,本文以2F2R(2-Flexible-Macro and 2-Rigid-Micro manipulator)这种典型柔性宏刚性微机械臂为研究对象(文中将其简称为2F2R宏微机械臂),对其弹性振动机理、运动学与动力学模型、耦合动力学特性、弹性振动抑制与误差补偿等问题开展较为系统的研究与分析工作。由于柔性宏刚性微机械臂动力学方程表现出高度的耦合与非线性特点,直接利用其来研究这类系统的耦合振动机理是十分困难的。文中首先基于类比方法,采用质量、弹簧、阻尼等元件建立其简化模型,从其频率特性、能量传递、控制稳定性等三个方面对其弹性振动机理进行了详细分析和讨论。运动学建模方面,提出了宏微工作空间分解方法,由此可将宏微机械臂逆运动学问题进行解耦处理,从而极大简化了问题的分析,同时也可看到机械臂的弹性变形与系统的运动状态存在紧密关系,系统关节空间与操作空间的变换关系极为复杂。动力学建模方面,基于有限元法,采用Bernoulli-Euler梁单元来描述宏机械臂的弹性变形。在此基础上,采用拉格朗日第二方程,详细推导出2F2R柔性宏刚性微机械臂的动力学模型。该模型充分考虑了系统刚柔耦合问题,具有很好的通用性与扩展性,且表现出很强的耦合与非线性特征。系统耦合动力学特性分析方面,研究了2F2R柔性宏刚性微机械臂三种重要特性,分别是频率特性、运动误差特性、尺度效应特性。分析讨论了系统结构参量、截面参量、材质、集中质量分布、运动参量等因素对系统耦合动力学特性的影响及其变化规律,获得了许多新的有参考价值的认识。2F2R宏微机械臂弹性振动抑制与运动误差补偿方面,研究了三种运动控制问题。一是针对点到点运动过程中弹性振动尽量小的问题,采用凸轮曲线理论对多种机械臂关节角的运动规律进行了分析和对比;二是研究了如何利用微机械臂的快速调节作用来抑制柔性宏机械臂末端的残余振动;三是针对连续轨迹跟踪问题,研究如何通过微机械臂的快速运动来补偿柔性宏机械臂弹性变形产生的运动误差。最后,设计和研制了2F2R柔性宏刚性微机械臂系统实验平台,针对宏微机械臂运动控制问题开展了系列实验研究工作,并将实验结果与仿真结果进行了对比分析,验证了文中提出的一些理论与方法。