关键词： 模块化机械臂   运动学建模   路径规划   动力学建模  

摘要： 模块化机械臂可以通过构型重构来适应不同的工作环境或变化的工作任务,它的出现弥补了普通机械臂无法适应工作环境或任务目标变化的缺点。为了使模块化机械臂适应不同的工作环境和操作任务,往往需要调整模块化机械臂的构型。通过多次重构寻找最优任务构型的过程中,要求在短时间内对模块化机械臂进行多次建模,才能实现对模块化机械臂的控制和构型校验。因此,进行模块化机械臂快速建模研究,加快建模速度,缩短模块化机械臂构型设计周期,具有十分重要的理论意义和应用价值。 本文以模块化机械臂为研究对象,开展模块的概念性设计、模块化机械臂运动学快速建模方法、逆运动学解算算法、基于关节空间的机械臂路径规划、模块化机械臂动力学快速建模方法等研究,并验证相应算法的可行性。主要研究内容包括以下几个方面： 首先,分析完整模块化系统的基本构成,阐述模块化设计的优势,说明模块划分的一般原则,完成模块的概念性设计。采用数学表达的思想,对设计的模块进行数学描述,使得可以更加快速的进行模块化机械臂的建模解算。 其次,开展模块化机械臂运动学快速建模方法研究。目的在于针对模块化机械臂,提高其正运动学的建模和求解速度。采用基于旋量和指数积公式的方法,对模块化机械臂进行正运动学建模解算。旋量指数积公式法建立坐标系简单高效,相比于常用的D-H参数法,建模过程大大简化,节约大量建立坐标系与参数获得的时间。以模块化机械臂为例,对算法进行验证。 再次,开展模块化机械臂逆运动学解算和路径规划研究。利用基于旋量指数积的正运动学表达式,通过牛顿-拉夫逊迭代方法,对模块化机械臂逆运动学进行求解。全面阐述机械臂路径规划方法,在关节空间对模块化机械臂进行路径规划研究,得到相应的规划结果。进行机械臂的路径规划实例试验,验证算法的有效性。 最后,利用空间算子代数理论进行模块化机械臂的动力学建模,针对机械臂惯常模型定义其相关符号,采用模块的数学描述并利用空间转移算子完成模块化机械臂的速度、加速度向外递推以及力、力矩向内递推,得到基于空间算子代数的模块化机械臂高效逆动力学解算方法。利用卡尔曼滤波原理对模块化机械臂广义质量矩阵进行因式分解,简化其求逆计算,得到模块化机械臂的高效动力学模型。针对空间算子代数的方法进行算法复杂度的分析,通过实例解算,与牛顿-欧拉方法计算时间进行对比,验证算法的高效性与实用性。

关键词： Curing  

摘要： The objective of this study was to determine the influence of water on the polymerization kinetics, crosslinking structure and dynamic mechanical properties of methacrylate/epoxy polymers cured by visible-light initiated free-radical/cationic ring-opening hybrid polymerization. Water-containing formulations were prepared by adding similar to 4-7 wt% D2O depending on the water miscibility of monomer resins. The water-containing adhesives were compared with the adhesives photo-cured in the absence of water. The results show an improved degree of conversion for both methacrylates and epoxy by adding water. The rate of the epoxy cationic ring-opening reaction is increased while the rate of free radical polymerization is decreased in the presence of water. The decreased crosslinking density noted in the presence of water suggests that the chain transfer reaction between water and epoxy competes with the hydroxyl-based chain transfer mechanism. There is potential application of this visible-light initiated hybrid polymerization in biomaterials, e.g. dental restorations and tissue engineering scaffolds.

关键词： 热能动力机械   现状   发展走向  

摘要： 热能动力机械在我国各行各业中有着广泛的应用，而且对国民经济起着非常重要的作用。本文以热能动力机械的专业适应方向及高技术性的特点为依据论述了热能动力机械的现状及其发展走向。

关键词： Hilbert包络谱分析   局部波动特征分解   时频分析   机械故障诊断   模态混淆现象   端点效应  

摘要： 如今,随着大型动力机械的高速发展,加强对大型动力机械设备的运行状态监测的研究越发具有重要的实际意义。然而,大部分的机械设备发生故障时,其振动信号多是非平稳、非线性的时变信号,针对机械故障振动信号的特性,将局部波动特征分解(Local Oscillatory-characteristic Decomposition,简称LOD)方法引入动力机械设备的故障诊断中,研究与解决LOD方法中存在的部分理论问题,并将LOD与Hilbert包络谱分析方法相结合并应用于齿轮、滚动轴承的故障诊断中。本文的主要研究内容如下:1、在介绍了LOD算法的基础上,本文针对LOD存在的端点效应问题、模态混淆现象以及滤波特性结构进行深入的研究:针对LOD的端点效应问题,引入了自适应波形匹配延拓方法,通过对仿真信号的分析研究,该方法能有效地抑制LOD的端点效应问题;为了获得LOD方法的滤波特性结构,考虑到白噪声的统计特性,通过运用LOD方法来分解白噪声信号,从分解结果中分析得到了LOD的滤波特性结构;针对LOD的模态混淆问题,通过添加白噪声信号进入LOD方法中,提出了一种改进的噪声辅助LOD分解方法,通过对仿真信号和实验信号的分析得知,该方法能有效地解决LOD的模态混淆问题。2、针对动力机械传动系统中的滚动轴承和齿轮故障特征信息大量保存在非平稳、非线性的,具有调制特征的振动信号中。根据这一特点,提出了基于LOD的Hilbert包络谱分析方法,并将这种方法应用于机械传动设备的故障诊断之中。通过基于LOD的Hilbert包络谱方法对滚动轴承及齿轮的实验信号及实际信号的分析处理,其结果表明,该方法能够有效地提取出滚动轴承、齿轮的故障特征信息。

关键词： 空间柔性机械臂   假设模态法   有限元法   中线耦合变形   轨迹跟踪   振动抑制  

摘要： 随着航天技术的发展,空间机械臂的应用越来越广泛。本文针对环绕目标航天器飞行的载体位姿受控的空间柔性机械臂系统动力学建模与控制进行研究。本文首先采用传统混合坐标法对空间柔性机械臂系统进行动力学建模,分别利用假设模态法和有限元法描述机械臂的柔性变形,基于Lagrange方程建立系统在惯性坐标系下的动力学模型;然后结合空间柔性机械臂系统环绕目标航天器飞行的相对运动动力学方程对惯性坐标系下的动力学模型进行修正;再根据空间柔性机械臂系统的逆运动学和三次样条插值规划机械臂抓取目标航天器过程中系统的载体位姿以及机械臂关节角的轨迹;最后根据奇异摄动法设计控制器。仿真结果表明所设计的控制器能够对系统载体位姿和机械臂关节角实现轨迹跟踪,并且对机械臂的振动有良好的抑制效果。为揭示中线耦合变形与大范围运动的耦合效应对空间柔性机械臂振动的影响,先研究作大范围转动的一维悬臂梁。仿真结果表明,由于传统混合坐标法建模时未考虑中线耦合变形,当悬臂梁的转动角速度大于其横向振动的一阶固有频率时,悬臂梁系统出现负刚度,振动发散;而考虑中线耦合变形的耦合动力学模型的纵向振动与横向振动仍然稳定,与实际情况相符。对于空间柔性机械臂系统,由于在抓取目标航天器的过程中机械臂的角速度远小于其自身横向振动的一阶固有频率,因此考虑中线耦合变形的动力学模型与传统混合坐标法模型的仿真结果几乎一致。考虑中线耦合的建模方法对机械臂振动的描述更准确,可以应用于未来可能出现的柔性机械臂高速转动的情况。为进一步对所建立的动力学模型以及所设计的控制器进行验证,本文基于ADAMS虚拟样机动力学仿真环境,结合ANSYS有限元分析软件,建立载体位姿受控的空间柔性机械臂系统虚拟样机,借助ADAMS与MATLAB间的数据交互接口,建立ADAMS-MATLAB联合仿真平台,完成了空间柔性机械臂系统虚拟样机联合仿真实验。虚拟样机仿真实验的结果与自编程序数值仿真结果高度吻合,证明了本文所建立空间柔性机械臂系统动力学模型的正确性与所设计控制器的有效性。

ISBN: (纸本)9787302406501

关键词： 空间柔性机械臂   空间算子代数   RISE   摩擦   奇异摄动理论  

摘要： 空间机械臂在空间站组装、维护和建设,在轨服务以及空间攻防任务中都具有重要的应用。由于空间柔性机械臂具有减少发射成本和能量消耗、提高操作速度和负载能力等优点,在目前的空间任务中得到了越来越多的应用。其不足之处就是在执行任务的过程中由于柔性连杆会产生强烈的振动,对其精确定位非常困难,同时对控制系统的设计也会造成不利的影响。对空间柔性机械臂系统的运动学、动力学模型进行深入研究,把握其规律,实现对其的精确控制,在理论上和工程实践上都具有重大的意义。本文首先回顾了空间柔性机械臂的国内外研究状态,在此基础上提出了本文所要研究的内容;第二章首先介绍了空间算子代数理论这一建模工具,利用该建模工具建立了链式刚体系统的正向与逆向动力学算法,并将该方法推广到柔性多体系统中,得到了基于有限段方法的柔体连杆系统高效递推算法;第三章在已有的摩擦模型基础上,通过对空间环境的特点进行详细的分析,建立了空间柔性机械臂的两种不同的摩擦模型,为后续控制系统的设计提供了极大的便利;第四章首先引入了Robust Integral of the Sign of the Error(RISE)这个控制策略的基本概念,并在此方法的基础上针对空间刚性机械臂设计了具有3种不同的自适应摩擦补偿策略;第五章进一步利用奇异摄动理论将空间柔性机械臂模型进行分解,针对快慢子系统分别进行控制器设计,并通过理论和仿真证明了所设计方法的有效性;最后一章对整篇论文进行了总结,并且指出了研究中存在的不足之处以及今后的研究方向。

关键词： 柔性机械臂   动力学建模   振动特性分析   样机实验系统搭建   输入成形   振动抑制  

摘要： 随着航天科技的迅猛发展,人类对太空的探索不断深入,空间机器人技术将会发挥越来越重要的作用。受发射条件的限制,要求空间机械臂质量尽可能轻,而为到达较大的操作空间,所设计的机械臂臂杆尺寸一般较长,导致机械臂的柔性不能忽略。柔性的存在会引起结构的振动,不但不能完成操作任务,还有可能引起系统的损坏。本文以柔性关节柔性臂杆空间机械臂为对象,建立动力学模型,开展振动特性分析,并研究振动抑制的控制方法。空间机械臂由关节及连杆组成,关节和臂杆的变形都会引起末端的振动。根据不同的设计结果,关节柔性和臂杆柔性的影响程度不同,因而将实际的柔性空间机械臂分为柔性关节-刚性臂杆、刚性关节-柔性性臂杆及柔性关节-柔性臂杆三种类型,并推导了相应的动力学模型。建模中,柔性关节等效为一个线性弹簧,而臂杆采用Euler-Bernoulli梁来模拟,并通过假设模态法对其变形量进行描述,基于拉格朗日法推导了上述三种类型柔性机械臂的动力学方程。进而,对动力学方程进行求解,并推导了关节及末端振动方程,分析了不同参数条件下的振动特性,为机械臂的设计和控制提供理论依据。基于所建立的动力学模型和振动方程,研究了关节柔性参数的辨识方法以及振动抑制方法。将柔性机械臂参数辨识问题转换为非线性优化问题,采用粒子群算法辨识了关节的刚度系数和转动惯量,以及臂杆的弹性模量和转动惯量。结合辨识出的上述柔性参数,开发了基于输入成形的振动控制算法。最后,开发了单关节单臂杆的柔性机械臂样机及其实验系统,并通过样机实验,得到了关节振动、臂杆振动、末端位置等数据,以用于柔性参数的辨识,利用该实验系统,还验证了所开发的振动抑制控制算法。

关键词： Atoms  

摘要： The reactive force field method was first utilized to characterize the structure, dynamics and mechanical properties of calcium-aluminate-silicate-hydrate, which is essential in the chemistry of high alumina layered gel in Portland cement. In order to study the role of Al atoms, the properties of Al atoms located in the calcium silicate sheet and the interlayer region have been investigated. The Si-Al substitution in the calcium silicate sheet has not changed the layered structure of the C-A-S-H gel. On the other hand, the presence of Al atoms in the interlayer region improves the structure and mechanical performance significantly. The connectivity factor, Q, species evolution indicates that the aluminate species in the interlayer region play an essential role in bridging the defective silicate chains and transforming the layered C-A-S-H gel at low Al/Ca levels to the branch network structure at high Al/Ca levels. The structural transition is partly attributed to the aluminate-silicate connection by the NBO sites and is partly caused by the polymerization reaction between the aluminate species, both of which can be described by the reactive force field. Additionally, the polymerization reaction by the aluminate species also leads to a hydrolytic reaction. In this way, a lot of water molecules are transformed to hydroxyls, even bridging oxygen atoms. Dynamically, due to the high strength of the Al-O bond, the aluminate-silicate network in the C-A-S-H gel has a better stability at higher Al/Ca ratios. Furthermore, uniaxial tension tests on the C-A-S-H gels demonstrate the mechanical behavior and large structural deformation of the gel. Both the Young's modulus and tensile strength are improved significantly with increasing aluminum content, indicating a good loading resistance ability in the aluminate-silicate network. The tensile deformation, simulated by the reactive force field, is also coupled with depolymerization of the aluminate species and the water dissociati

关键词： 腔光机械   回音壁模式微腔   自维持振荡   动力学多稳态   对数负值度纠缠  

摘要： 近年来,腔光机械引起了人们的广泛关注并取得了迅速的发展。腔光机械关注光学腔模和机械振动自由度之间的耦合,在引力波探测、机械记忆存储、量子信息处理等许多领域都有应用。大多数研究腔光机械的理论工作都考虑机械振动的振幅很小的情况,通过将腔模频率在机械振子的静态平衡位置处作展开,可以把光机械耦合近似处理为线性耦合或二次耦合。当系统被高功率激光驱动时,机械振动的振幅可以很大,甚至有可能达到与驱动激光波长可比的程度,我们称这种情况为极大振幅情况。在这种情况下,应该严格按照腔模频率与机械振子位置的函数关系来考虑光机械耦合。另外,在机械振子的振动周期内,不同结构的腔光机械系统中会发生多个光学腔模被激发或者同一个光学腔模被多次激发的现象,这将导致系统经历更为复杂的动力学过程。本论文以极大振幅情况下腔光机械系统的经典动力学和量子性质为研究重点,主要内容分为以下三部分:一、我们搭建了回音壁模式微腔的制备和检测实验平台,用于开展腔光机械研究。目前我们可以制备出品质因子分别达到108、106和107的微球腔、微盘腔和微芯环腔。通过将微腔与直径接近1μm的光纤锥耦合,我们可以实现对微腔的光学检测。我们在实验上观察到了由于光机械耦合而导致的微腔传输谱的周期性振荡现象。二、我们研究了极大振幅情况下可移动腔镜型腔光机械系统的自维持振荡和动力学多稳态现象。在相空间中,机械振子的自维持振荡极限环呈边缘为锯齿状的椭圆形。机械振子可以表现出动力学多稳态,在不同的初始条件下,可以到达不同的自维持振荡状态。通过分析机械振子的振动过程和相伴随的腔中光子数的变化过程,我们得到了自维持振荡能量平衡条件的解析表达式。我们还研究了机械非线性效应对机械振荡的影响。三、我们研究了极大振幅情况下腔中薄膜型腔光机械系统的经典动力学和量子纠缠。通过数值求解系统的经典运动方程,我们发现薄膜能够以边缘为锯齿状的椭圆形极限环进行自维持振荡,并且能够表现出动力学多稳态。我们研究了经典轨道的量子涨落部分的动力学过程并使用对数负值度计算了薄膜和腔中光场的纠缠。我们发现系统的经典动力学过程和量子纠缠的演化具有一定的同步性。