关键词： 胃肠超声   胃残余量   胃窦动力   机械通气   营养治疗  

摘要： 目的 应用胃肠超声监测胃残余量及胃窦动力，探讨其在机械通气患者营养治疗中的应用价值。方法 选择呼吸衰竭需行机械通气的患者98例，随机分为2组，对照组及观察组各49例，观察组应用超声每4～6 h进行一次ACF、ACA和MI及GRV监测。对照组经验性给予肠内营养，根据肠内营养耐受性评分调整肠内营养泵入速度。结果 肠内营养开始时间、达到80%目标喂养量时间观察组短于对照组，差异有统计学意义(P<0.05);72 h达到80%目标喂养量比例观察组高于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)。结论 胃肠超声监测胃残余量及胃窦动力可为机械通气的呼吸衰竭患者制定个体化的营养治疗方案，有助于尽早启动肠内营养，尽快达到目标喂养量。

关键词： 驱动集中布置   预设空间降维法   总性能最优   容错控制   动态避障  

摘要： 近些年来,3C电子产业发展迅速,为了追求携带方便和拓展新技术,产品也逐渐向小型化发展。针对这种产品装配工作,基本都是通过人工进行作业,因此工作强度也日益增加。为了能够更好的提高产品的装配质量,许多厂商都购买和使用现有的高速轻载机器人,作为人工装配作业的辅助性系统来协助完成产品的装配任务。普通工业机器人不具有冗余自由度,无法进行能力优化、容错和避障,因此限制了其在协同作业任务中的发展。针对上述问题,本文以自主研制的平面4R冗余机器人展开以下方面的研究:首先,本文陈述了课题的研究背景和意义,总结了驱动集中布置、总性能优化、容错控制和避障方法的优劣势和研究现状,凝练出相应的研究关键点。对冗余机器人进行设计,绳索驱动拥有一定的优越性,可以将绳索换成同步带,然后将电机集中后置,这种布置方案能够降低各个关节的承载力提升了作业效率,从根本上降低了能耗。为后续算法提供了合理的实验平台。其次,提出了基于加权M-P伪逆的预设空间降维法运动学逆解,为后续容错控制奠定了基础。采用拉格朗日法进行动力学建模并通过ADAMS对算法进行验证,为后续总性能最优提供了模型基础。将总能量、总力矩和广义结束时间多个指标进行加权融合,通过粒子群优化得到最优结束时间,对优化前后进行了数据对比,验证了优化结果的合理性。再次,本文从提高机器人容错性能方面出发,将机器人进行轨迹跟踪时,各时刻性能指标采用主成分分析法进行处理,得到综合评价函数,以此函数作为评价指标对发生故障后影响整体性能最大的关节进行合理调度,从而达到最优的资源协调分配策略,降低机器人发生故障后对整体性能的影响。再次,为保障协作者的安全,本文从提高机器人协作能力方面出发,在不影响末端跟踪轨迹的情况下,进行动态避障。通过建立合理的损失函数并集合梯度投影法实现冗余机器人动态避障,通过仿真进行验证了算法的有效性。最后,通过实验平台对上述算法进行验证,结果表明,仿真和实验验证了上述算法的有效性。

关键词： 多关节折叠机械臂   改进D-H模型   拉格朗日法   李群李代数   动力学建模   轨迹规划  

摘要： 窨井是地下水道或其他地下管线工程中,为便于检查或维修而设置的井状构筑物,在现代社会中应用极广,北京在用窨井数量约为200万,上海更是高达约600万。各类窨井中以窄深型窨井的井下作业最为困难,此类工作国内主要靠人工配合吊索完成,因窨井内空间狭小且常存在污泥、浊水、有害气体等情况,人工下井作业时操作困难、危险度高。机械臂搭载不同功能终端的方式是代替人工进行窨井作业的有效途径之一,但适用于窄深窨井作业且具有较高定位精度的机械臂目前尚为空白。窨井用机械臂在结构上属于带折叠、伸缩功能的复杂长链臂,与常规工业机器人相比复杂很多,所以开展该机械臂研究时存在的问题有:兼顾空间、强度、刚度的机构设计较为困难,利用现有D-H法对其进行运动学建模求解时求解困难且D-H模型不支持相邻关节平行时建立误差模型,利用现有拉格朗日法对其进行动力学建模求解时模型复杂度高、计算量大。为解决上述问题,本文以搬运管道探测器为典型工况,设计了一款适用于窄深窨井作业且具有较高定位精度的机械臂,并对其机构、运动学、动力学进行了基础性研究。本文主要研究内容如下。(1)本文综合分析现有井下作业装置存在的问题,根据窨井尺寸、作业环境、定位精度、井下动作等空间与功能要求,设计了一款液压缸驱动的多关节折叠伸缩机械臂。四节臂关节转动范围分别为110°、90°、180°、230°;第二节与第三节臂、第三节与第四节臂可以平行折叠;第三节臂可直线伸缩。机械臂伸张时末端可触及深9m的窨井底部,收拢折叠时总体尺寸小从而满足维修工程车载要求。通过有限元力学仿真的方式验证了其强度及刚度设计的合理性。(2)针对D-H法应用于本文机械臂时出现的求解困难、D-H模型不支持相邻关节平行时建立误差模型的问题,本文提出了改进型D-H法,即基于联用D-H模型及Hayati and Mirmirani模型在李群李代数空间中进行运动学求解的方法。利用KLAUS SCHR(?)ER提出的方法从理论上说明了改进型D-H法建立的运动学模型可以支持相邻关节处于任意位形下建立误差模型。其后以双闭链组合机构为例,分别利用D-H法和改进型D-H法建立其运动学模型并进行正逆运动学求解,然后将两种方法进行对比并验证提出方法的正确性。结果表明,改进型D-H法不仅可支持相邻关节处于任意位形下建立误差模型,且具有求解流程公式物理意义明确且复杂程度低、便于计算及编程的优点,尤其适用于复杂机构形式机器人。(3)针对拉格朗日法应用于本文机械臂时出现的模型复杂程度高、计算量大的问题,本文以提出的改进型D-H法为基础,推导得到简洁形式的拉格朗日方程即李群框架下拉格朗日方程,其计算模型和改进型D-H法形式一致,进而确保了整套理论在工程应用时的便捷性。其后以双闭链组合机构为例,分别利用拉格朗日方程和李群框架下拉格朗日方程建立其动力学模型并进行正逆动力学求解,然后将两种方法进行对比并验证提出方法的正确性。结果表明,提出的李群框架下拉格朗日方程大大减小了模型复杂程度和计算量,且有利于计算机辅助计算和参数化,尤其适用于复杂机构形式机器人的动力学建模。(4)在本文提出的运动学及动力学理论框架之下,建立了本文机械臂的运动学、动力学模型。建立运动学模型时,将机械臂看成一条主运动链和几条分支运动链,利用改进型D-H法分别进行模型构建。建立动力学模型时,首先建立了以臂关节驱动转矩为广义力的李群框架下拉格朗日方程,然后建立了液压缸驱动力与广义力之间的映射关系。由于本文提出方法的优势,所以建立的模型复杂程度低、便于计算和编程;可以支持后续建立误差模型;可以方便地实现结构尺寸及边界条件的参数化,从而使机械臂不同机型处于不同工作要求时能够直接在程序中更改结构参数及运动方程进行数值计算。(5)以搬运管道探测器的一个工作过程为例,对设计的机械臂进行运动特性分析。首先确定机械臂运动轨迹,本例采用的轨迹规划方法同样适用于其他工作过程。在机械臂点位控制运动阶段、指定轨迹运动阶段和冗余自由度运动阶段分别采用了关节空间五次多项式插值法、笛卡尔空间轨迹规划法和以速度、加速度的加权函数最小为原则选取最优轨迹的方法确定机械臂运动轨迹。其后,以建立的运动学、动力学模型为控制方程,以轨迹规划结果为边界条件,在MATLAB中编制了数值计算程序对该工作过程进行计算。对计算结果进行分析表明,本文设计的机械臂可以完成规定的动作要求,其运动特性也可以满足工作需求。(6)基于机械臂设计方案,建立了等比虚拟样机模型,基于逆解得出的驱动位移函数在ADAMS软件中对搬运管道探测器的工作过程进行了虚拟样机仿真并与前述理论计算结果进行了对比分析。仿真结果表明机械臂运动过程无干涉、碰撞问题且运动路径符合预期;对比分析则表明了建立的运动学、动力学模型及自编计算程序的正确性。基于现有实验室条件,按几何相似以机构设计尺寸与实际尺

关键词： 农业劳动力转移   农业机械化   农业经济增长   驱动效应   区域差异  

摘要： 农业劳动力转移和农业机械化事关新型城镇化和农业农村现代化,是我国推进全面建设社会主义现代化国家的关键。促进农业经济持续稳定增长是保障国家粮食安全和促进农民增收的重要内容,对于维护国家稳定发展和缩小城乡收入差距具有重要意义。农业劳动力转移和农业机械化相互影响和关联,两者共同驱动着中国农业经济增长。本文采用Kaya恒等式模型,构建了农业劳动力转移和农业机械化对农业经济增长的关联影响分析框架,采用LMDI分解法将它们分解为农业生产规模效应、劳动投入数量效应、农业机械装备效应和机械经济产出效应,从时空两个层面揭示了4大效应对中国农业经济增长的影响,研究结果表明:(1)2001-2019年我国农业总产值由26179.7亿元增加到55966.8亿元,年均增速为4.3%。从全国层面来看,2007-2013年和2013-2019年农作物播种面积持续扩大,因而农业生产规模效应成为促进农业经济增长的重要动力,该特征在我国地广人稀的西部和东北地区各省域表现尤为突出。比较而言,研究期间东部及南部沿海11省市农作物播种面积明显下降,因而农业生产规模效应对其农业经济增长产生了明显抑制作用。(2)劳动投入数量效应对全国整体及其27个省域的农业经济增长都呈现出负向抑制作用,且其抑制作用在研究期间内不断增强,这在12个粮食主产区表现尤为突出,其抑制量均在250亿元以上。就农业机械装备效应而言,无论从全国还是省域层面它都是农业经济增长的最大驱动因素,其对我国10个粮食主产区的促进作用都在1000亿元以上。(3)机械经济产出效应对全国层面的农业经济增长呈现出由负向抑制到正向促进作用的转变,且其正向促进作用不断增大。省域层面来看,机械经济产出效应对我国沿海8个省市农业经济增长的促进作用都超过了350亿元,而对7个粮食主产区的抑制作用都超过了150亿元。为实现中国农业经济的持续增长,从加强区域农业生态环境建设,稳定农作物播种面积和农业生产队伍,因地制宜地推进农业机械化等方面,提出了促进中国农业经济增长的政策建议。

关键词： 重症监护室   神经外科术后   机械通气   集束化   镇痛镇静   谵妄  

摘要： 目的 分析集束化镇痛镇静护理模式对重症监护室（ICU）神经外科术后机械通气患者谵妄、舒适度及血流动力学的影响。方法 选取我院ICU 2019年1月至2021年11月收治的60例神经外科术后住院患者，依据术后护理模式分为两组，各30例。对照组实施传统术后护理模式，观察组实施集束化镇痛镇静护理模式。分别在护理前、护理后（转出ICU时）利用镇静镇痛评分量表（RASS）、重症监护患者疼痛评估量表（CPOT）、Kolcaba的舒适状况量表对日间以及夜间的RASS评分、CPOT评分、Kolcaba舒适度评分进行测定，采集血流动力学指标，采用重症监护谵妄筛查量表（ICDSC）统计谵妄总发生率，并对比以上观察指标的差异。结果 观察组护理后的日间以及夜间的RASS评分、CPOT评分、血流动力学指标以及谵妄总发生率低于对照组（P <0.05）,Kolcaba舒适度评分高于对照组（P <0.05）。结论 集束化镇痛镇静护理模式可降低ICU神经外科术后机械通气患者的镇静镇痛评分，减少谵妄的发生，提高患者的舒适度，维持平稳的血流动力学，值得推广。

关键词： 粮食生产   劳动力成本   诱致性技术变迁   机械化水平   影响因素  

摘要： 新世纪以来,我国农村劳动力非农转移逐渐加快,农业生产的劳动力数量和质量下降、以劳动力显性价格与相对隐性成本刚性上升已成为不争的事实。根据诱致性技术变迁理论,生产要素相对价格的改变将导致技术进步发生偏向,并诱致各经营主体运用相对较低成本的农业机械来代替较高成本的人力,农业尤其是粮食生产的机械化成为新时代的大势所趋。近年来随着《中华人民共和国农业机械化促进法》的出台及农机购置补贴政策的实施,我国农业生产机械化的迅速发展不仅有效替代了农业中缺失的劳动力,在提升农业生产效率的同时,加速了农业现代化进程。湖南省作为传统的农业大省及人口大省,不仅要促进城镇化与农村剩余劳动力合理转移,也要承担国家粮食安全贡献的重任。同时,湖南省作为典型的山地丘陵地区,探寻湖南省劳动力成本上升如何影响机械化,以及如何顺应诱致性技术进步理论的指引,考虑地形异质性背景下的主产省份农业机械化如何进一步应用与深度推广,在替代效应下如何促使其粮食生产机械化顺利实现高质量发展,这些问题亟待解决。本文在分析湖南省粮食生产中劳动力成本变化与机械化水平现阶段特征的基础上,运用单要素生产率分析法和二维空间相图增长分析法,以判断湖南省粮食生产技术进步偏向及发展路径;运用双对数回归模型和湖南省14市州面板数据,重点分析了省域及县域层面、诱致性技术进步视角下劳动力成本上升对湖南省粮食生产机械化的影响。研究结果发现:2004-2018年湖南省粮食生产技术进步K值为0.07,劳动力成本上升通过替代效应有效地刺激了湖南粮食生产机械化水平的提高,雇工工资每上升1%,将会使粮食机械总动力增长0.327%。同时,雇工工资与地形的交乘项对机械化总动力的影响为负,说明地形因素影响了机械对劳动力的替代难度。湖南省粮食生产已明显通过机械替代劳动力来节约生产成本,这种选择促进了以粮食生产机械化为代表的劳动节约型技术进步偏向;劳动力成本上升推进了湖南省粮食生产机械化水平,但同时也受山地丘陵地形因素阻碍。针对以上结论提出了政策建议:推动湖南省劳动力合理转移、加快培养新型职业农民来适应农业现代化发展;健全该省薄弱环节机械化水平、推动全程机械化发展;遵循适度规模经营的理念,促进农田基础设施建设。

关键词： 聚四氟乙烯   石墨烯   分子动力学   机械性能   摩擦性能  

摘要： 聚四氟乙烯因其优异的化学稳定性、耐腐蚀性能、抗老化性能和摩擦性能等特点,广泛用于工农业生产、航天、电子科技等领域。但是聚四氟乙烯仍存在机械性能较差、磨损率较高等缺陷,限制了其更广泛的应用。石墨烯作为一种新型2D纳米碳材料,有着极高的力学和摩擦学性能,可以作为一种理想的填料对聚合物复合材料的机械性能和摩擦性能起到补强作用。目前对于石墨烯增强聚四氟乙烯的机械和摩擦性能已经进行了大量的实验研究,但是由于微观测试技术的限制,关于石墨烯对聚四氟乙烯机械和摩擦性能的影响机理仍需进一步探索。本文使用分子动力学模拟,计算了纯聚四氟乙烯(pure PTFE)、石墨烯/聚四氟乙烯(Graphene/PTFE)复合材料以及氟化石墨烯/聚四氟乙烯(FG/PTFE)复合材料的机械性能和摩擦性能,揭示了Graphene和FG对PTFE机械性能和摩擦性能的影响机理,为设计具有优异机械性能和摩擦性能的聚合物复合材料提供了理论基础。本文研究内容及主要结论如下:(1)使用单轴拉伸和单轴压缩模拟方法研究了pure PTFE体系拉伸和压缩过程。结果表明,随着拉伸应变逐渐增大,拉伸方向上的应力先增加后减少,且体系中出现明显的空洞,当应变达到100%时,体系中间位置只有少数PTFE分子链的存在。同时,pure PTFE的拉伸强度随着应变速率的增加而逐渐增大。随着压缩应变的增大,PTFE分子链不断向压缩方向运动,使得模型在压缩方向的结构逐渐紧密;模拟了pure PTFE与金属铁(Fe)摩擦过程,分析了其在摩擦过程中的微观性质变化。随着载荷的增加,pure PTFE摩擦系数逐渐降低。此外,pure PTFE的摩擦系数随摩擦速度增加而先增加后降低。(2)Graphene/PTFE复合材料机械和摩擦性能的计算结果表明,质量分数为3.5wt.%的Graphene加入到PTFE中不仅破坏了PTFE本身的稳定结构,使得体系在拉伸过程中更容易出现孔洞等内部缺陷,还增强了PTFE分子链在拉伸过程中的运动能力,使得复合材料的拉伸强度下降,断裂伸长率也有所降低。此外,Graphene的加入降低了PTFE分子链在压缩过程中的运动能力,限制了分子链的运动,使得Graphene/PTFE复合材料的压缩强度提高。在摩擦过程中,Graphene在复合材料中形成一个增强界面,PTFE分子链被吸附在Graphene附近,与金属Fe接触的PTFE分子数减少,PTFE复合材料基体与金属Fe之间的相互作用减弱,摩擦界面处能量耗散降低,使得界面处的温度降低,同时Graphene会沿着摩擦方向进行滑移,提升了PTFE分子链在摩擦过程中的运动能力,使得PTFE复合材料在摩擦过程中更容易进行滑动,从而改善了PTFE的摩擦性能。(3)构建了FG/PTFE复合材料模型,并对其机械性能和摩擦性能进行了计算。其中,FG的含氟量分别为28.6%、33.7%和41.3%。结果表明,FG能够有效地降低PTFE复合材料在拉伸和压缩过程中的分子链运动能力,阻碍模型发生形变,从而改善了其拉伸和压缩性能。同时,加入FG能够进一步减少PTFE复合材料在摩擦过程中与金属Fe相互作用的原子数,降低两者摩擦界面处的相互作用,提高复合材料的摩擦性能。此外,FG/PTFE复合材料的机械性能和摩擦性能随着FG含氟量的增加而逐渐增强。

关键词： 清理机械臂   ANSYS   末端执行器   显式动力学   多体动力学   振动  

摘要： 目前自动化清理机械设备广泛应用于各种环境工况下,对提高大部分工作的效率具有重要作用。本文基于核电厂取水涵管内壁附着海生物清理作业效率低、工期长、成本高以及安全性较差等缺点,设计一款用于核电厂取水涵管道内壁海生物清理的作业机械臂,并对其进行动力学分析与仿真,验证了其结构的合理性。主要的研究内容如下:首先,确定取水涵管道内壁清理机械臂的技术指标以及总体方案,展开对清理机械臂末端执行机构的结构设计以及方案验证;通过对两种不同的机械臂末端执行机构的连接方式进行仿真计算,确定了机械臂末端执行器与清理机械臂之间的连接方式;通过使用ANSYS Workbench中的Transient Structural模块对两种不同的连接方式进行振动特性分析,获得了不同连接模式下末端执行器遇到冲击时对机械臂旋转中心的振动影响,验证了机械臂末端执行机构材料选择以及结构设计的合理性。然后,在将清理机械臂与末端执行机构进行假设以及简化的基础上,建立了取水涵管道内壁清理机械臂的单自由度振动模型,并将末端执行机构清理取水涵管内壁时遇到的冲击简化为三个方向上的交变载荷,得到了清理机械臂的单自由度振动模型。通过采用ANSYS Workbench中的Explicit Dynamics模块建立末端执行器与取水涵管内壁附着物相互作用下的动力学模型,对清理机械臂末端执行器的清理过程进行仿真分析,得到了末端执行器在进行清理工作时的动态响应,分析了机械臂在不同的旋转速度、连接弹簧的刚度以及末端执行器的不同连接模式对机械臂旋转中心的影响规律。结果表明在满足清理效率的前提下,末端执行器与机械臂之间选用带有弹簧的连接方式或者机械臂采用较小的公转速度都能够很好的减小末端执行器遇到冲击时对机械臂旋转中心的振动影响。利用三维建模软件UG完成了清理机械臂以及末端执行器数字模型的虚拟装配。应用多体动力学理论,采用ANSYS Workbench中的Rigid Dynamics模块对清理机械臂进行不同条件下的动力学仿真,对清理机械臂旋转中心的振动情况进行检测,得到清理机械臂在空载、恒定扭矩载荷以及变载荷的情况下机械臂旋转中心的振动情况。为清理机械臂旋转中心的振动的检测、分析以及故障诊断提供了理论参考。

关键词： 荞麦   清选装置   振动筛   动力学特性   参数优化   离散单元法  

摘要： 荞麦营养丰富,是改善膳食结构、促进营养健康的重要口粮品种。我国是荞麦主产国之一,荞麦的种植面积与产量均位居世界第二。由于荞麦为无限花序作物,其籽粒的成熟度极不一致,成熟籽粒极易脱落,收获时籽粒易受损破碎,茎秆含水率较高等特点使得荞麦机械化收获难度较大。尤其在联合收获的清选环节,含水率较高的茎秆成为机械收获脱出混合物的主要组分之一,其空气动力学特性、尺寸特性与籽粒的差异不明显,故而导致荞麦机械收获清选含杂率高,损失率大的问题普遍存在。本课题从荞麦机械化清选入手,对国内外谷物清选原理方法,清选装置设计、试验以及脱出混合物物料特性的研究动态进行了分析,采用理论分析、结构设计与优化、模拟仿真、台架试验相结合的研究方式,开展了荞麦作物机械收获脱出混合物清选理论与试验研究,以期为现有荞麦清选装置及联合收获机的数字化设计、优化提供理论依据,为新型荞麦清选装置的研制提供参考与启示。本课题的主要研究工作如下:1、荞麦作物机械收获脱出混合物特性研究收集了XG788S型联合收割机收获‘黑丰1号’、‘红山’荞麦时脱出混合物,对2种脱出混合物的组成进行了分析,研制了农业物料动态休止角测量装置、碰撞恢复系数测量装置,采用直接测量法,应用不同的仪器和装置对各脱出混合物中各组分的特性参数进行了测量并分析。得到了荞麦机械脱出混合物中各组分的三维尺寸范围、主要组分的千粒重、密度、含水率、悬浮系数、动态休止角、弹性模量、剪切模量的数据区间;获得了荞麦籽粒、茎秆之间及它们与钢板相互作用的接触参数,如恢复系数、摩擦系数等。结果表明:荞麦机械脱出混合物的主要组分为荞麦籽粒和茎秆,杂余量占比高达32%左右;仅依靠风选难以实现脱出混合物中籽粒与茎秆的有效分离;旋转鼓转速、荞麦籽粒的填充率和含水率均对2种荞麦籽粒的流动性和摩擦性有一定影响,荞麦籽粒的上、下休止角及动态休止角均与含水率呈显著的线性关系,籽粒动态休止角约等于其上、下休止角的平均值。所得特性参数数据及结论可为后续建立相对精确的荞麦籽粒、茎秆的离散元模型,进行脱出混合物分离、清选过程的数值模拟,设计适应性较强的清选装置提供数据支持与依据。2、荞麦作物机械收获脱出混合物主要组分离散元模型的构建及模拟参数虚拟标定研究采用三维模型重构法建立了‘黑丰1号’荞麦籽粒、茎秆的离散元模型,设计并试制了基于堆积试验的农业物料静态休止角测量装置,通过现代试验设计方法完成了对荞麦籽粒、茎秆离散元模拟参数的标定,并分别采用圆筒提升、旋转鼓模拟试验对标定结果进行了验证。研究结果表明荞麦籽粒-籽粒静摩擦系数、荞麦籽粒-钢板静摩擦系数对荞麦籽粒的静态休止角影响显著;而荞麦茎秆-茎秆间动摩擦系数、碰撞恢复系数对荞麦茎秆的静态休止角影响显著。标定得到的籽粒离散元模拟参数为:荞麦籽粒泊松比0.29,剪切模量34.325MPa,荞麦-荞麦静摩擦系数0.482、滚动摩擦系数0.290、恢复系数0.260;荞麦-钢板恢复系数0.500、静摩擦系数0.446、滚动摩擦系数0.235;标定得到的茎秆离散元模拟参数为:荞麦茎秆-茎秆静摩擦系数0.600、滚动摩擦系数0.460、恢复系数0.160;荞麦-钢板恢复系数0.360、静摩擦系数0.500、滚动摩擦系数0.300。模拟验证试验与实体试验得到的荞麦籽粒、茎秆休止角无显著差异,表明采用响应面法标定荞麦籽粒、茎秆离散元仿真参数是可行的,结果是可靠的。所得荞麦籽粒、茎秆离散元模型及模拟参数可为后续荞麦作物机械收获脱出混合物的清选仿真试验奠定基础,为荞麦相关装备的数字化设计提供依据。3、荞麦作物机械收获脱出混合物清选试验研究以‘红山’荞麦机械收获脱出混合物为试验材料,在风筛式谷物清选试验台上进行了曲柄长度、曲柄转速、上筛面倾角、下筛面倾角、振动方向角、风机风向角、风机转速的单因素试验,根据单因素试验结果对这7个因素分别取3水平进行了正交试验,对试验结果进行了极差、方差及回归分析,建立了清选含杂率、籽粒损失率、清选时间的回归模型,并应用多目标遗传算法对荞麦清选环节的工作参数进行了优化。试验结果显示各因素对清选损失率、籽粒含杂率及清选时间的影响程度不尽相同,荞麦清选作业参数最佳解集为:曲柄长度30 mm,曲柄转速和风机转速分别为231 r/min,600 r/min,风机风向角,上、下筛面倾角,筛面振动方向角依次为30°,-3.8°,-1°,5°。此时清选损失率、含杂率和清选时间分别为2.80%,3.09%,7.98s。经试验验证,在最优工作参数下,各评价指标的试验值依次为2.89%,3.11%,8.09s,与理论值相对误差均小于4%,且优化所得结果与极差、方差分析结果高度一致,说明采用遗传算法对清选回归模型进行优化是可行的,优化结果是可靠的。所得结论可为荞麦清选作业工作参数的选用,传统荞麦清选装置的设计及优化提供理论

关键词： 可维修航天器   空间机械臂   关节非线性   轨迹规划与优化   力位混合控制  

摘要： 在轨故障轻则使航天器性能降级,重则导致整星失效,且大部分硬件故障无法通过软件升级、系统重启修复,在轨维修成为必然趋势。由于地面技术的快速发展和航天器寿命的延长,航天器寿命越长,航天器中后期性能与地面技术水平差距就越大。因此,对大中型航天器进行可维修性设计,使其易于接受维修、升级等在轨服务,已成为业界共识。然而,可维修航天器设计方法尚未形成完整理论体系,对其在轨维修面临新的技术挑战。一方面,需要解决可维修航天器设计中维修便利性和代价难以兼顾的难题。另一方面,需要解决在可维修航天器构型和惯量变化、受限空间复杂障碍约束、维修工具自身非线性因素的影响下,实现高精度、高柔顺维修操作的难题。对此,本文开展了面向可维修航天器的空间机械臂在轨维修动力学与控制技术研究。以方便空间机械臂在轨维修和实现代价低廉为出发点,从可维修体系架构、可更换功能模块体系、即插即用接口体系三方面,提出了一种可维修航天器的通用设计方法,设计了一种主结构可变构型的模块化可维修航天器,作为本文空间机械臂在轨维修操作的对象。所设计的可维修航天器以开放式机械体系、分布式异构网络体系与可补加动力体系为核心架构,以两级功能模块和三级接口为可维修载体,支持空间机械臂在轨维修。从维修操作流程、维修操作约束、维修代价三方面,分析了其对空间机械臂的维修操作需求与航天器可维修化发展的经济价值。分析表明,所设计的可维修航天器以较小代价实现了可维修维护能力,降低了对维修操作方的要求。建立了同时考虑关节柔性和末端接触碰撞等内外部因素影响的空间机械臂系统精细动力学模型,可以表征关节柔性对空间机械臂在轨维修操作精度的影响。首先,以D-H参数法描述了7自由度空间机械臂坐标系,推导了其运动学和动力学方程。针对无人在轨维修任务中空间机械臂常用的谐波减速器关节,提出了一种综合考虑非线性刚度、迟滞效应、扭转间隙、不同类型摩擦、谐波传动纯运动学误差、关节阻尼的谐波驱动关节非线性精细动力学模型,利用常微分方程建模了非线性刚度、迟滞效应、扭转间隙之间的耦合作用,给出了周期输入下的代数形式解。随后,将关节非线性因素引入空间机械臂系统动力学模型,并对操作过程进行碰撞检测和碰撞力计算,建立了空间机械臂与目标耦合的在轨维修操作系统动力学模型。动力学仿真表明,关节非线性因素引起机械臂高频振动、导致末端位置误差显著增大,需要在机械臂控制中予以补偿。提出了在受限空间复杂障碍约束与自身性能限制下的空间机械臂轨迹规划与优化方法,满足可维修航天器高精度在轨维修操作轨迹规划的需求。为了兼具高维复杂障碍空间搜索能力和高效计算效率,并确保规划结果平滑,提出了基于人工势场法改进的RRT-connect及RRT*避障轨迹规划方法,给出了可维修航天器模块更换过程空间机械臂的无障碍运动轨迹。考虑到可维修航天器构型变换和两星对接对能源供给与热控保持能力带来的影响,在轨维修时间和能源消耗存在较为严格的限制。基于NSGA-II遗传算法,建立了以时间最优、能耗最优和偏离无障碍轨迹最小为目标,考虑机械臂关节自身物理约束的多目标轨迹优化方法。仿真实验表明,所提方法可使空间机械臂有效规避卫星本体、太阳翼,以及变构型可维修航天器内部的复杂障碍,且关节运动平滑、关节力矩不存在突变;规划轨迹在维修时间、维修能耗和无障碍轨迹偏离程度方面得到了优化。提出一种新型力位混合控制方法,可以克服内外部不确定因素的影响,实现高精度、高柔顺在轨维修操作。首先,将机械臂动力学模型在适从坐标系下进行了重建,提出了冗余机械臂力位混合控制架构和基于零空间法的冗余机械臂力矩优化方法,设计了力位混合控制律,实现了空间机械臂末端位置控制和力控制的解耦。在此基础上,提出了一种基于径向基函数神经网络(RBFNN)补偿的力位混合控制方法,设计了相应的自适应控制律、证明了其稳定性。不同算法的对比仿真和可维修航天器功能模块更换任务仿真表明,所提控制方法能够适应负载质量、惯量等大幅变化的情况,并克服空间机械臂自身非线性因素的影响,实现在轨维修过程的精确控制与柔顺操作。