关键词： 微纳机械谐振器   腔光机械系统   动力学冷却   旋波近似和非旋波近似   主方程   弱耦合和强耦合  

摘要： 随着科学与技术的发展，以形状尺寸微小、操作尺度极小为特征的微机械，成为人们从微观角度认识和改造客观世界的一种高新技术。近年来，微纳尺度的机械谐振器由于具有很多重要的特性和应用而成为了一个新的研究热点，其中最具有吸引力、最具有前景的是以谐振方式工作的微纳机电谐振器，随着科技的不断发展，此类谐振器有望广泛应用于纳米探针的制作、化学传感器以及无线通信和全光无线通信系统中的关键器件的研制等各个不同领域。本文中，通过求解主方程，我们主要研究了单电子自旋与碳纳米管机械谐振器之间的耦合对系统动力学行为的影响，以及腔光机械系统的动力学冷却过程。研究内容与结论如下: 1、理论分析了单电子自旋与碳纳米管机械谐振器之间的耦合对系统动力学行为的影响。用主方程，通过半经典的方法具体研究了系统在有量子位-谐振器耦合和没有耦合时平均声子占有数随频率失谐的变化情况、在不同耦合强度时对比了系统在旋波近似和非旋波近似下平均声子占有数随频率失谐的变化情况。在有耦合的情况下，平均声子占有数在共振时，产生了一个分裂，而且在分裂峰值的附近出现了双稳态。通过对碳纳米管谐振器平均声子占有数的分析发现，旋波近似和非旋波近似在耦合强度较弱的情况下能够很好的吻合。当系统进入超强耦合时，旋波近似不再有效，此时非旋波项变得不可忽略。 2、通过主方程的方法，理论研究了腔光机械系统的动力学冷却过程，并利用协方差的方法计算了平均声子数。首先讨论了强耦合系统中不同的腔耗散率大小对平均声子数的影响，然后对比了弱耦合系统和强耦合系统中平均声子数随着耦合强度以及腔耗散率的变化而变化的情况。在强耦合系统中，在一定范围内，腔耗散率越大，平均声子数越小，也就是说，通过增大腔耗散率，我们能加速系统的冷却过程。对于强耦合系统，平均声子数随着耦合强度的增大而出现周期性的振荡，同时随着腔耗散率的增加而快速的减小，最后达到一个冷却极限。相反，在弱耦合系统中，平均声子数却随着腔耗散率的增大而快速的增大，最后达到平衡态。

关键词： 生产线   动力锂电池   模糊PID   装配机械手   重复定位   CAN通信  

摘要： 本课题来源于深圳市智优公司,旨在设计一条动力锂电池组的装配生产线,提高动力锂电池组的生产效率,促进动力锂电池组在电动汽车、电动大巴等领域的应用。该生产线要求装配机械手能够快速准确抓取提升机构上的工件,然后在传送带上对整个动力电池组进行装配。本文首先对国内外装配机械手的发展现状进行了简要介绍,然后分析了生产线的工艺流程和功能需求,搭建了装配机械手控制系统的硬件平台,提出了装配机械手精确重复定位的方法,设计了上下位机的CAN通信协议,设计了基于ARM+运动控制芯片模式的四轴运动控制器,编写了机械手的运动控制程序,最后对装配机械手进行了单工位调试和联机调试。具体的研究内容如下:1.首先,根据整条生产线的工艺流程和功能需求,搭建了装配机械手控制系统的硬件平台,对控制系统的传感器进行了选型,并确定了运动控制器的系统架构。2.其次,采用S升降速曲线以及基于模糊PID控制的位置伺服控制、激光传感器搜索提高了机械手的重复定位精度,完成了机械手对零部件的精确定位。3.参考CAN通信的报文帧格式,设计了上下位机的CAN通信协议,并且对上下位机之间的数据信息进行了定义,实现了上位机对整条生产线的数据管理和生产节拍管理。4.然后采用ARM+运动控制芯片的模式,设计LM3S9B96+PCL6045b的四轴运动控制器,编写了机械手的运动控制应用程序,实现了对单个工位机械手的工作流程的控制。5.最后对生产线装配机械手进行了单个工位的调试以及联机调试,测试了机械手的重复定位精度,并对调试过程中出现的异常情况提出了解决方法。目前,整条生产线装配机械手的装配、系统的硬件调试以及单工位机械手的装配运动控制调试已经完成,10个工位的装配机械手能够满足生产线的需求。整条生产线的联机调试正在进行当中。

关键词： Graphene  

摘要： Molecular dynamics simulations are used to study the thermal and mechanical properties of the PPS matrix with defect graphene and graphene oxide. For the PPS matrix with defect graphene at different weight fractions, the defect graphene dispersed in the system when the weight fraction of defect graphene was less than 10 wt%. When the weight fraction of defect graphene was more than 20 wt%, the defect graphene will aggregate. In the case of the graphene oxide in the PPS matrix, all the results reveal that the graphene is dispersed in the PPS matrix. The thermal conductivities of PPS/DG and PPS/GO increase when the weight fractions of DG and GO increase. However, the thermal conductivities significantly increase when the weight fractions of PPS/DG and PPS/GO are more than 20 wt%.

关键词： 空间柔性机械臂   关节非线性   柔性绳索   捕获策略   抓捕控制  

摘要： 随着空间探索与开发的深入，未来的航天器将向着大型化、复杂化、高精度、长寿命的方向发展，空间机械臂的在轨应用将愈加广泛且重要。空间机械臂工作半径大、结构刚度低、负载质量变化范围广，臂杆及关节柔性特征明显，动力学特性呈现复杂的非线性，本文针对空间柔性机械臂系统的动力学建模、动态特性分析以及在轨抓捕目标控制等关键问题进行深入研究，为空间机械臂的机构设计、在轨应用奠定理论基础。 空间机械臂系统是典型的链式无根多体系统，由于臂杆柔性影响，在进行大范围刚性运动的同时伴随着小幅的柔性振动，呈现明显的刚柔耦合特性，本文基于递推算法建立了高效的空间刚性机械臂动力学模型，给出了动力学模型中惯量阵、雅克比矩阵等的递推形式表达式，可用于机械臂控制系统中。进一步基于拉格朗日分析方法和模态综合法建立了空间柔性机械臂动力学模型，可完成空间漂浮基柔体机械臂系统的动力学分析与计算。最终通过与商用软件对比验证了模型的正确性和高效性。 空间柔性机械臂系统动态特性分析，还需考虑关节柔性影响，由关节啮合刚度、间隙、摩擦等引入的非线性，是影响机械臂系统运动精度和平稳性的主要因素，建立精确的柔性关节动力学模型，是机械臂系统设计、特性分析和控制器设计调试的基础。本文提出了可综合考虑非线性刚度、间隙、摩擦等因素的关节动力学建模方法，建立了关节非线性动力学模型，并分析了间隙、摩擦、刚度等非线性因素对关节动力学特性的影响规律，进一步综合考虑分析了关节柔性和臂杆柔性对机械臂末端动力学响应的影响。 对目标载荷的成功抓捕是完成在轨服务的关键，针对具有大容差、软捕获特性的绳索式末端执行器，应用有限段离散化方法完成了柔性绳索动力学建模，分析了绳索离散化模型的参数选取原则，进一步引入绳索与目标间的非线性接触碰撞力和摩擦力模型，建立了末端执行器捕获动力学模型。设计了末端捕获冲击实验，验证了模型的正确性。所建绳索捕获动力学模型可充分考虑绳索的空间运动状态以及捕获过程中绳索与目标间的接触碰撞过程，为绳索设计和捕获策略调试提供基础。 机械臂捕获目标时，不可避免的与目标间发生碰撞冲击，过大的冲击力不仅使基体姿态产生偏差，还可能使目标逃逸导致抓捕失败，针对机械臂抓捕目标过程，提出并实现了快速接近-慢速接触-速度跟踪（FA-SC-VT）末端捕获策略，并以建立的末端捕获动力学模型为基础进行捕获过程仿真分析，结果表明FA-SC-VT捕获策略与传统匀速捕获策略相比，可大幅减小机械臂末端产生的冲击力，并可有效的解决小质量目标捕获过程中的逃逸问题。进一步结合FA-SC-VT捕获策略设计了机械臂的关节阻尼控制器和阻抗控制器分别完成对合作目标和非合作目标的柔顺抓捕控制，相对于位置保持硬抓取，阻抗控制软抓取可有效减小末端与目标间的碰撞冲击力，减小对基体位姿的影响。

关键词： 微机械谐振器   能量耗散机理   非线性动力学   尺度效应   热弹性阻尼   光梯度力  

摘要： 微机电系统(MEMS)技术是21世纪科技发展的前沿，在生物、医学、机械电子、航空航天等领域有着广泛的应用价值。MEMS技术的迅速发展给机械动力学和振动学科带来了前所未有的机遇和挑战。微纳机械谐振器为精确测量提供了许多新应用,也为深入研究各种物理现象提供了前所未有的机会，已成为当前该领域研究的一个重点和热点。两端固支微梁谐振器或微悬臂梁谐振器被广泛应用为微传感或驱动系统的核心关键组件，其传感机理取决于微结构对特定外激励的敏感性和其自身动力学响应的独特性。相对简单的几何结构使其在设计和加工方面有着较大优势，在平均残余应力测量、杨氏模量测定、显微镜、安装表面健康监测系统、质量流传感器乃至分子生物或DNA分析等诸多方面应用广泛。 目前，微机械谐振器的工作频率可达MHz甚至GHz、品质因子范围为102-105，使得谐振器不仅具有超高的灵敏度和分辨率，还会出现“不稳定”的参数振动、自激振动、热振动和频率漂移等现象，其非线性行为非常明显。微机械谐振器工作原理涉及复杂的能量转换，尺度效应带来许多微科学问题（微机械学、微光学、微静电学、微流动与气动力学、微热力学、微化学等），多场耦合会导致多学科交叉问题（机、电、磁、光、声、热、化学等）。此外，为了提高微谐振器的灵敏度、信噪比、分辨率和测量精度，其表/界面作用、加工工艺、尺度效应、能量耗散机理及控制、驱动力的固有非线性等都成为研究的核心难点，也是亟待研究的关键科学问题。但目前针对微谐振器的能量耗散机理及控制、非线性振动特性及其演化和传递规律，尚缺乏必要的深入认识。因此，随着微机械谐振器向超高频、多功能和超精密快速发展，其频率稳定性、运动稳定性和能量耗散机理及控制方法的研究是一个迫切的课题，具有重要的学术价值和应用潜力。 本文针对微机械谐振器的若干动力学问题，就边界效应、微加工工艺误差、光梯度力等对系统非线性动力学特性和能量耗散机理及控制方法等方面进行了一些有意义的研究和探索。 微机械谐振器的支承基体通常不是绝对刚性的而是柔性的,往往会在系统谐振过程中偏离理想边界条件，并对器件动力学特性产生重要影响。在第二章中，首先对声子隧道效应造成的边界结点能量耗散机理和支承基体的等效弹性刚度等谐振器的边界效应进行了分析和研究。结合碳纳米管分子质量探测器的理论研究，通过将声子隧道效应导致的能量耗散引入其动力学模型中，分析非理想边界条件下的能量耗散对微谐振系统动力学特性的影响。基于经典弹性力学理论中的Boussinesq方程和Cerruti方程及能量等效原理，对非理想边界的等效弹性刚度进行建模仿真，其理论结果与已报道的实验数据有较好的吻合。利用多尺度摄动理论，分别探讨了非理想边界的等效弹性刚度对两端固支微梁和微悬臂梁谐振器的动力学特性的影响。本所得解析结果与有限元分析结果相对比，体现了较好的一致性。结果表明，非理想边界处的能量耗散效应和刚度效应均能使系统的最大振幅变小，而且会使系统谐振频率降低。边界效应是微谐振器动力学设计中不可忽视的重要特征。 由于微加工工艺误差会导致梳齿谐振器的梳齿间产生一定的倾斜角从而无法保持相互平行。在第三章中首先研究了边缘效应下不平行梳齿间的电容、静电力以及静电弹簧刚度，并对复杂的空气阻尼进行了精确建模。然后分别利用多尺度法和最大Liyapunov指数对动力学控制方程进行稳态求解和运动稳定性分析。通过将数值仿真结果与已报道实验数据相对比，验证了所建模型的有效性。结果表明，倾斜的梳齿可以引起微谐振器谐振频率的增加和静电弹簧刚度的强化。由此，本章提供了一种有效抑制传统模型中静电刚度软化效应的思路，即可以通过控制梳齿倾斜角以升高、降低或自平衡谐振频率。同时，最大Liyapunov指数分析亦表明，倾斜梳齿可以帮助增强微谐振器的运动稳定性，并避免吸合效应的发生。 当微机械谐振器运行于室温或真空条件时，热弹性阻尼被认为是最主要的能量耗散方式之一，系统也会因此存在一个品质因子值的上限。同时，大量的实验研究表明，微梁或微板谐振器的动力学性能和特征通常是尺度相关的。基于修正耦合应力理论，并利用汉密尔顿(Hamilton)变分原理分别建立了微梁和微板的热弹性动力学控制方程。结合热传导扩散方程，求得考虑尺度效应下的热弹性阻尼。所得热弹性频率与已报道结果取得较好的一致性。结果表明，当微板或微梁的厚度与材料本征尺度参数处于同一数量级时，材料尺度效应对系统热弹性阻尼产生了重要影响。随着材料本征尺度参数的增加，系统的热弹性阻尼将会被抑制，且品质因子得到提升。同时，当环境温度由500K降低至80K时，系统品质因子将会被提升数个数量级，但是当微结构的厚度与材料特征尺度参数接近时，环境温度为400K时考虑尺度效应的系统品质因子可以超越293K时未考虑尺度效应的品质因子。文中具体分析讨论了不同结

关键词： 工程机械臂   多体动力学   等效有限元   刚柔耦合   动力学方程   数值求解及仿真分析   液压挖掘机及大型船用挖掘机   轨迹规划及智能控制   结构动态优化  

摘要： 随着计算机技术和产品设计技术的飞速发展,高速化、高精度、抗冲击、低噪声、轻量化和长寿命成为机械产品性能的发展趋势,其动态特性研究越来越成为机械产品设计的关键,正成为国内外专家研究的热点。工程机械臂是各种工程机械设备的关键、重要部件,是一种多功能高效机械部件,其动力学性能决定着工程机械整机的性能发挥。工程机械的作业工况通常比较的恶劣,工程机械臂所受的载荷情况非常复杂,为保证其工作安全可靠,提高施工质量和作业效率,对其进行准确的动力学分析非常必要。 工程机械臂通常是冗余自由度、强非线性、刚柔耦合的多体系统,其动力学及特性研究涉及到多体动力学以及控制、结构动态优化、运动学逆问题等方面的问题。 目前技术条件下对工程机械臂动力学的研究在产品建模、仿真模拟、数值计算等关键技术均处于探索阶段,而用户对工程机械产品的性能要求日益增长。因此,对于工程机械臂系统动力学及特性研究具有重要的理论价值和实际的工程意义。 本文以工程机械臂系统为研究对象,主要研究多体动力学尤其是柔性多体动力学理论在建模、仿真方面的应用,重点是进行理论性的分析。对工程机械臂的动力学建模、仿真、数值计算以及运动控制、结构动态优化等方面作了细致的研究工作,并结合液压挖掘机及大型船用挖掘机机械臂实例进行研究,主要研究内容归纳如下： 1)研究了工程机械臂的多刚体动力学方程及柔性多体动力学方程的建模方法,主要讨论了等效有限元方法和拉格朗日定理,重点研究了柔性梁的多体动力学理论基础。 2)采用基于集中质量和惯量的等效有限元法建立液压挖掘机机械臂的动力学微分方程,运用龙格-库塔（Runge-Kutta）数值求解法对运动微分方程进行推导和数值求解,对各臂杆的动力学特性进行了分析,并运用ADAMS软件进行仿真分析。 根据柔性多体动力学理论,采用模态函数描述臂架的弹性变形,采用LAGRANGE定理和虚功原理建立液压挖掘机臂架系统刚柔耦合的非线性动力学方程,并通过数值求解、动力学仿真的方法对建立的动力学方程进行分析。 对已建立的动力学方程利用MATLAB进行数值求解,运用仿真软件ADAMS及NASTRAN建立液压挖掘机机械臂刚柔耦合模型并进行仿真分析,并对比二者结果。运用数值求解的方法进行模态计算和动力学响应分析,求解相关几何参数的一 阶固有频率灵敏度,分析影响机械臂动力学特性的主要模态参数。 3)考虑大型船用挖掘机机械臂的轴向变形,采用拉格朗日定理建立其柔性机械臂动力学方程,采用数值求解的方法,利用复模态分析中的状态矢量法对机构动力学控制方程进行了解耦,得到机械臂在标称运动附近振动固有频率和大范围刚性转动角速度的关系。 应用UG、NASTRAN、ADAMS等软件建立了柔性臂架、柔性变幅绳、柔性抓斗提升钢丝绳、刚性支架、刚性回转平台的船用挖掘机虚拟样机模型。根据船用挖掘机机械臂系统结构及工况特点,施加载荷并进行动力学分析,通过后处理模块,得到系统位移、速度、加速度等动态性能,以及连接点的铰接力和动臂的动态应力等特性。 4)研究液压挖掘机机械臂的轨迹规划及运动控制。分析了工程机械臂控制策略理论基础,根据控制原理及机械臂铲斗运动轨迹跟踪控制表达式,建立工作装置机械臂PID控制模型及基于RBF神经网络的PID控制模型,运用Matlab及相关软件对控制模型进行仿真计算,分析了系统的动态响应和稳态误差,并得出基于RBF神经网络的PID控制优于常规控制的结论,能够实现挖掘机工装轨迹的智能控制。 5)利用模态分析、谐响应分析确定对系统动态性能影响最大的模态频率,以此为基础构建动态优化的目标函数,再利用灵敏度分析缩减设计变量以提高动态优化的效率。 利用有限元分析软件中的优化模块对液压挖掘机工作装置机械臂结构系统进行了动态优化设计。 采用拉格朗日乘子法将液压挖掘机工作装置机械臂结构约束动态优化问题转化为无约束的动态优化问题,得到此拉格朗日函数的极小值点并且此拉格朗日函数极值点将逐步逼近原目标函数的约束最优点,由收敛准则可得近似最优解。 以有限元分析为基础,将正交试验法与BP神经网络结合,建立了工作装置机械臂结构设计变量与动态特性之间的非线性映射关系的神经网络模型,用遗传算法优化神经网络模型得到最优解。

关键词： 欠驱动   两3R机械臂   数学模型   机构仿真  

摘要： 本文主要对于欠驱动双机械臂进行了初步研究与探讨，确定了一种两3R机器人的基本构型和驱动电机的安装位置，并且主要对该机构的部分运动学和动力学建模进行了比较深入的研究，最后应用MATLAB软件和ADAMS软件进行了仿真分析，为之后展开的控制研究奠定了重要基础。 首先，针对3R单机械臂进行了末端公式的位姿推导，并且总结了串联机械臂末端位姿公式。分析了双臂机构的自由度数目及其性质，确定了电机个数及其安装位置，进行运动学模型分析，确定双臂紧协调任务类型，求解出速度、加速度方程，为后续动力学研究提供理论基础。 然后，确定各个杆件的转动惯量，求解出各个杆件的动能，在之前的基础上通过微分法，采用拉格朗日建立并求解动力学模型，得到各个主动关节的力矩输入表达式，并分析该欠驱动系统的特点。 最后，设定机构杆长的及其初始位置的情况下，利用MATLAB软件得出末端杆件的位置及速度随系统输入之间的关系;并运用ADAMS软件得出输入力矩与其速度与加速度之间的关系曲线，并综合进行分析。

关键词： 空间机械臂   关节   行星齿轮   动力学  

摘要： 空间机械臂是应用于航天器上的重要工具，其主要任务是释放、回收卫星以及完成在轨建设、维修作业等。然而，目前空间机械臂的动力学理论还不够完善，设计过程中空间机械臂位姿难以准确预判，严重制约了空间机械臂的发展。 因此，从传动装置出发，建立准确的空间机械臂关节动力学模型，研究空间机械臂关节的动力学特性具有重要意义。为了研究空间机械臂的关节动力学特性，本文主要进行了以下三方面工作： 1）在ADAMS中建立了考虑时变啮合刚度、时变啮合阻尼、齿侧间隙等非线性因素在内的行星齿轮动力学模型。在文献调研的过程中发现，相关文献在ADAMS中建立行星齿轮动力学模型时，缺少对时变啮合刚度、时变啮合阻尼及齿侧间隙这些非线性因素的考虑，因而建立的模型不够完善。ADAMS/Machinery模块使用户在行星齿轮建模方面摆脱了对第三方建模软件的依赖，但仍存在一定的不足。因此，对ADAMS/Machinery提出了改进，利用ADAMS/View运行函数表达式来表达行星齿轮模型中各构件之间的作用力矩。仿真结果表明，对ADAMS/Machinery进行改进后建立的行星齿轮动力学模型可以体现出时变啮合刚度、时变啮合阻尼以及齿侧间隙这些非线性因素对行星齿轮动力学特性的影响。 2）研究了包括啮合刚度、啮合阻尼、齿侧间隙等因素在内关节传动参数变化对空间机械臂动力学特性的影响。在刚性臂杆-理想铰链关节模型的基础上，对行星齿轮减速器进行细化，建立了考虑刚度、阻尼、齿侧间隙等因素在内刚性臂杆-细化关节动力学模型。并针对不同刚度、阻尼、齿侧间隙的模型进行了动力学仿真。仿真结果表明时变啮合刚度、阻尼对臂杆末端的运动精度影响不大，但引入了一定的振动噪声。齿侧间隙的大小对臂杆末端的运动精度影响显著。 3）设计开发了空间机械臂关节动力学建模软件。针对空间机械臂关节动力学模型建模过程中操作的繁琐性与重复性，利用ADAMS的二次开发功能对相应的建模操作进行了集成。将软件应用于实际的建模工作，大大提高了建模的效率与准确性。

关键词： 汽车   电子机械制动系统   滑膜控制   制动  

摘要： 在汽车的运用过程中，为了实现最佳的制动效果和最大的能量回馈，本文设计了单轮动力学模型，并根据其路面行驶的需要，对相应的滑模控制器进行了设计，对汽车制动过程的安全性和侧向稳定性进行了积极探讨。

关键词： 机械工程   多体系统   动力学  

摘要： 多体系统动力学是近几十年随着航天、航空、机构学、机械制造等机械工程领域发展起来的,用来解决复杂机械系统动力学和运动学问题的高新技术学科。多体系统动力学在先进制造技术中的重要地位和作用,对机械工程中多体动力学的问题研究,能加快国内多体系统动力学的应用与发展,有效地支撑我国的先进机械工程制造。