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关键词： 仿生机器海豚   动力学建模   参数辨识   机动性能  

摘要： 为了更好地探测、利用水下资源,水下机器人已经成为当前机器人研究领域的一个热点。相较于传统螺旋桨式水下机器人,仿生机器鱼拥有优异的水动力特性、出色的机动性能和行动隐蔽性,因而在水下任务中具有广泛的应用前景和研究价值。针对仿生机器鱼的研究主要涉及到三个方面,即结构设计、动力学建模以及运动控制。其中动力学模型既可用于指导机器鱼外形结构的优化,也是运动控制的基础,对于仿生机器鱼的研究具有很重要的意义。 当前对仿生机器鱼的研究主要以平面运动为主,因此所建立的动力学模型不够完善。机器鱼的水动力参数受外形结构影响较大,由经验公式推导得到的参数值与实际存在一定偏差。机器鱼的各关节偏角等运动参数对其机动性能的影响很大,但涉及这方面的研究不足。因此本文以多关节机器海豚为研究对象,建立了机器海豚的空间六自由度动力学模型,通过参数辨识的方法得到机器海豚胸鳍与头部精确的阻力系数,并以此为基础探究了机器海豚不同运动参数对其游动性能的影响。主要工作内容如下: (1)建立了仿生机器海豚的空间六自由度动力学模型。首先分析了仿生机器海豚的模型结构,并基于D-H坐标转换法建立了鱼体各关节的运动学方程。其次,根据类平衡翼理论与平板阻力理论对机器海豚进行受力分析,最后通过牛顿—欧拉法建立了机器海豚的动力学模型。 (2)通过参数辨识的方法辨识得到机器海豚胸鳍与头部的阻力系数。本文对最小二乘法(RLS)、梯度下降法(RGC)以及自适应参数粒子群遗传算法(APSO-GA)进行了详细分析比较,并进一步通过仿真模型对比了上述几种辨识算法的辨识性能,最终选取自适应参数粒子群遗传算法(APSO-GA)辨识得到机器海豚胸鳍与头部的阻力系数,完善了机器海豚的动力学模型,并为后续的机动性能分析提供了理论依据。 (3)探究了不同运动参数对机器海豚机动性能的影响。利用高精度运动相机、水下高清摄像头、惯性测量单元等传感器搭建了机器海豚的水下实验平台,完成了直游、平面转弯与俯仰运动三种运动实验。通过分析仿真与实验数据,验证了所建立动力学模型与所辨识参数的准确性,并探究了机器海豚尾鳍摆频、头部偏角、胸鳍偏角、配重块位置等运动参数对其最小转弯半径、偏转角速度、下潜速度等机动性能的影响。 本文以机器海豚为对象所建立的动力学模型、参数辨识方法以及机动性能分析为其后续的结构改进和机动控制打下了基础。

关键词： 压气机   角区分离   流动控制   叶片开槽   平面叶栅试验  

摘要： 对于高负荷压气机,静子角区通常产生流动分离,静子角区流动控制是实现压气机高效率的重要途径。在静子叶片吸力面附面层内注入高动量气体,控制叶片吸力面附面层发展,可抑制静子角区分离,降低流动损失,提高压气机效率。本文提出在叶片内开槽,槽道进口位于叶片前缘,出口位于叶片吸力面。气体由叶片前缘进入槽道,由吸力面喷出。利用来流速度冲量,形成高速喷气,抑制静子角区分离。本文主要研究内容如下: 1.开槽二维平面叶栅流场数值模拟分析 针对高负荷压气机二维平面叶栅,建立了参数化叶型内槽道构造方法,研究了槽道主要几何参数对叶栅全工况性能的影响,得到了槽道进出口位置、宽度、槽道形状对叶栅全工况的影响规律,可为开槽叶片设计提供依据。研究表明,与不开槽叶栅比较,合理的开槽结构可有效抑制吸力面附面层发展、较大程度提高叶栅气动性能。 2.开槽二维平面叶栅试验研究 针对高负荷压气机叶型构成的平面叶栅进行了试验研究,试验测量了全工况叶栅叶中截面损失和气流角。试验测量结果与数值模拟结果一致性较好,验证了流场数值模拟方法。通过开槽叶栅和不开槽叶栅气流角和损失试验测量结果的比较表明,不开槽叶栅损失比开槽叶栅损失大,验证了利用前缘至吸力面开槽抑制吸力面分离,减小损失的可行性。 3.开槽三维平面叶栅流场数值模拟及试验研究 针对高负荷压气机三维平面叶栅,建立了参数化叶片内槽道构造方法,研究了槽道主要几何参数对叶栅全工况性能的影响规律。研究表明,在近叶根处开槽可有效抑制角区流动分离,但是由于角区分离被抑制后近叶中处密流比减小,逆压力梯度增加,导致叶中区域流动变差、甚至产生流动分离,因此叶根开槽的同时必须叶中开槽,即全叶高开槽才有可能实现角区分离控制的同时不恶化叶中流动、或者缓解对叶中流动的不利影响。槽道内流量及其沿叶高分布存在最佳值,过大过小都不利于控制角区流动及势流区吸力面附面层、减小流动损失。针对高负荷压气机三维平面叶栅进行了试验研究,试验测量结果与数值模拟值结果有较好的一致性,验证了流场数值模拟方法。通过对开槽叶栅和不开槽叶栅气流角和损失试验测量结果的比较表明,不开槽叶栅损失比开槽叶栅损失大,验证了利用前缘至吸力面开槽抑制吸力面分离,减小损失的可行性。 4.高负荷压气机静子气动设计 为了研究开槽在实际压气机静子中应用效果,利用课题组现有叶片优化设计平台进行了高负荷压气机静子气动设计,通过二维优化和三维优化得到了性能较好的高负荷压气机静子,优化后压气机级性能提升,静子总压损失系数减小,级稳定裕度由11.44%增加至12.59%。 5.级环境下静子开槽对压气机性能影响数值模拟分析 针对高负荷压气机级,依据槽道主要几何参数对二维叶栅和三维叶栅流场的影响规律,进行静子叶片开槽设计。通过与不开槽静子对比分析,得到以下结论:开槽可以有效抑制静子角区分离,大幅度减小静子角区流动损失,提高整个工作流量范围内级效率。开槽静子角区堵塞减小,静子近叶根扩压度增加,增加了静子进口沿叶高静压梯度,即达到相同流量时转子叶尖出口处静压增加。由于该压气机级失速是由于转子叶尖处激波退出叶片通道,因此静子开槽降低了失速裕度。采用静子叶尖前掠减小转子叶尖区域的出口反压,可提高压气机裕度。 6.高负荷压气机级非定常计算分析 压气机内部是复杂的三维、黏性、非定常流动,因此采用非定常计算方法研究静子开槽对压气机性能的影响,得到以下结论:与定常计算相比,非定常计算中开槽同样可以有效抑制静子角区分离、近于相同幅度的提高压气机级效率和压比。非定常计算引入时间变量,流场参数在转静交界面前后连续分布,转子尾迹可以传递给静子,随着压气机转子周期性扫过静子叶片,在转子尾迹的影响下,静子参数也发生周期性变化。

关键词： 打磨抛光机器人   动力学参数辨识   力/位柔顺控制   自适应阻抗控制  

摘要： 随着机器人应用领域不断的深入拓展,机器人使用的交互场景越来越复杂。经典阻抗控制模式能够实现末端力和末端位置的动态平衡,同时兼顾末端力和末端位置的跟踪控制。经典阻抗控制模式中阻抗参数是预先设定的定常值,当面对外界环境位置突变或刚度突变时,无法及时响应外界突变导致瞬时接触力过大或过小。为保证复杂交互场景下的稳态力/位跟踪,本文提出一种基于模糊自适应阻抗实现力/位柔顺控制的方法。旨在根据外界环境的变化趋势,机器人末端与外界环境交互过程中呈现柔顺特性。主动响应外界环境突变及内部噪声影响,并及时做出相应的补偿,在打磨抛光等实际应用场景中可以保证待加工产品质量一致性。主要研究内容和结论如下:选取XB4机器人作为研究对象,开展XB4机器人正、逆运动学分析,并基于Matlab-Simmechanic进行仿真验证。根据牛顿-欧拉法建立机器人动力学模型,为更充分地描述机器人动力学特性,引入线性摩擦补偿动力学模型。依据动力学模型提出动力学前馈轨迹跟踪控制器,采用李雅普诺夫函数进而验证跟踪控制器的稳定性。针对XB4机器人展开动力学参数辨识,在求取基参数集的过程中引入参数归一的处理方法,有效规避相邻参数间数量级相差悬殊带来的误差影响。选取五阶傅里叶级数作为激励轨迹,配合实际物理约束及非线性优化函数确定最优的五阶傅里叶级数激励轨迹。采集关节编码器及电机电流数据,转化为关节转角及关节力矩信息。代入参数辨识框图,求解得到各关节的动力学参数。搭建计算力矩与仿真力矩对比实验平台,证明辨识得到的动力学参数符合动力学特性。将辨识的动力学参数引入动力学前馈轨迹控制框图中验证轨迹跟踪效果,根据跟踪效果证实动力学前馈可以补偿动态特性及提高轨迹跟踪精度。提出基于模糊自适应的力/位柔顺控制方法,根据反馈接触力及接触力变化率实时调整阻抗因子,实现末端接触力与末端位置之间的动态平衡关系,使机器人末端与外界环境接触时呈现柔顺性。在Matlab中建立Simulink框图分析该控制方法下恒力、正弦力跟踪效果及位置跟踪效果,搭建力/位柔顺实机控制平台。分别设计平面及弧面两种打磨工况,验证基于阻抗控制的力/位柔顺控制实效性。

关键词： 护理机器人   耦合驱动关节   动力学建模   连续摩擦模型  

摘要： 围绕护理机器人的人机安全接触和轻量大负载需求,提出了一种2R耦合驱动关节构型,并解决了耦合驱动动力学建模问题,为高性能运动控制器搭建提供基础。该关节设计紧凑、负载能力强,两个伺服电机经过三级减速后,通过差动结构实现两自由度耦合输出,且表面光滑适宜与人接触。通过运动学分析了耦合驱动的原理,利用拉格朗日法建立了耦合驱动动力学模型。为解决速度零点摩擦力不连续,造成基于模型的控制器运动性能变差的问题,引入了连续可微摩擦模型,利用连续可微特性采用灰色模型提高了辨识精度。研制了机器人关节样机,进行了关节解耦、摩擦数据采集、参数辨识及轨迹跟踪等试验,结果表明所设计的耦合驱动关节可以完成周转、俯仰两个转动自由度的单独及耦合运动,并且输出扭矩与重量的比值达到了143.6 N·m/kg,可以满足轻量大负载护理需求,同时基于所建立动力学模型的运动控制可以显著提高轨迹跟踪的准确性。

关键词： 小分子凝胶   分子动力学模拟   汉森溶解度   非共价键作用   组装行为   计算化学  

摘要： 近年来,使用分子动力学(Molecular Dynamics,MD)模拟和汉森溶解度参数等计算方法,研究小分子凝胶行为备受关注。分子动力学模拟是一种基于经典力学的计算方法,用于理解小分子凝胶过程的首选技术之一,通过分子动力学模拟可以更精准地分析小分子凝胶的凝胶化趋势或组装行为,动态图形化地展现凝胶组装过程,有效揭示小分子凝胶因子结构与凝胶行为之间的关系,定量分析凝胶组装中的氢键、π-π堆积、范德华作用、离子键作用和疏溶剂作用等非共价键作用。通过对已知的凝胶/非凝胶分子进行分子动力学模拟,提取模拟数据中与凝胶行为相关的参数,并通过拟合Pearson相关系数衡量线性相关关系,最终实现预测某一类小分子是否可以凝胶化的目的。另一方面,根据汉森溶解度参数(Hansen Solubility Parameters,HSPs)发展形成的经验模型最具有代表性,该模型由分子之间的色散作用能量(δd)、极性作用能量(δp)和氢键能量(δh)确定三维空间(即汉森空间)的坐标点,根据该坐标点所在的范围可以确定有机小分子在特定的溶剂是否能形成凝胶。本文就近几年有机小分子凝胶领域分子动力学模拟和汉森溶解度参数中的一些工作进行综述,对凝胶的组装行为、非共价键作用对凝胶能力的调控和预测等方面作出评论。

关键词： 一级学科  

摘要： “区域国别学”成为交叉学科类一级学科,这不仅对区域与国别研究来说是一件大好事,对世界历史学科来说也是一件大好事,因为无论是“区域与国别”还是世界历史,都是面向“域外”的学科,同一个领域增加一个学科,无疑将壮大研究队伍,丰富研究成果,深化科学认知。更重要的是,这两个学科的观测视角、关注重点、研究方法有许多不同,两者互相借鉴,取长补短,定将开创学术研究的新局面。

关键词： 双足机器人   极限环   分岔与混沌   动力学参数   参数空间  

摘要： 为了研究动力学参数对双足机器人步态的影响,以被动步行平足机器人为研究对象,基于拉格朗日方法和角动量守恒定律,建立系统动力学方程并进行了数值仿真。通过极限环阐述了平足机器人的周期步态;利用分岔理论分析了脚掌、脚跟、质心位置、质量比和斜面角度对平足机器人稳定步态的影响;使用点映射在二维参数空间中追踪了平足机器人的动力学行为。结果表明,平足机器人的能量损耗主要发生在摆动腿与斜面碰撞时;随着脚跟、质心位置、质量比的变化,平足机器人步态出现逆倍周期分岔现象,且平足机器人对脚跟长度、质心位置的变化十分敏感;同时,通过平足机器人在二维参数空间中维持稳定步态的动力学参数组合,以及不同足形对机器人全局稳定性的影响,证明了足形对双足机器人稳定行走的重要性。研究成果为双足机器人的结构设计、节能控制提供了重要依据。

关键词： 最大动剪切模量   剪切模量比   阻尼比   动三轴  

摘要： 土的动剪切模量比和阻尼比是土层地震反应反应分析中的重要参数,而动三轴试验对小应变下相关参数的测试结果常常存在一定误差。为此,利用现场波速测试法、动三轴反推法、Hardin公式推导等,对比了土的最大动剪切模量及阻尼比,并根据理论分析确定了利用现场波速测试和Hardin公式推导值对动剪切模量、阻尼比修正的方法及公式,给出了修正后的结果。研究表明:动三轴反推方法获取的最大动剪切模量值较小且规律性不强,现场波速测试和Hardin公式推导获取的最大动剪切模量值,均显现出相似的规律,即随着深度增大逐渐增大的趋势;根据理论分析,确定了采用现场波速测试和Hardin公式推导值对动剪切模量、阻尼修正的方法及公式;修正后的最大动剪切模量比、阻尼比与规范值及推荐值相比,该结果更加符合场地实际情况。

关键词： 模态柔度   动力学参数   损伤识别   底板脱空   软基水闸  

摘要： 软土地基上的水闸极易出现地基不均匀沉降、渗透变形等问题,进而诱发水闸底板脱空等灾害,现有的软基水闸底板脱空动力学诊断方法虽能识别脱空范围,但由于采用的基本模态参数(固有频率和测点振型系数)对水闸底板脱空的敏感性还需进一步提高,因此探究不同模态参数及其衍生量对水闸底板脱空的影响规律,确定更为灵敏的水闸底板脱空动力学敏感特征量具有重要意义。以对结构损伤更敏感的模态柔度作为水闸底板脱空动力学敏感特征量,建立了水闸底板脱空描述数学模型,并以各测点前两阶模态柔度变化率,改进了水闸底板脱空控制参数与模态参数(模态柔度)之间的响应面数学代理模型,将水闸有限元模型相应工况下的模态参数(模态柔度)与响应面数学模型计算模态参数(模态柔度)的相对偏差作为目标函数,将水闸底板脱空参数反演转化为目标函数的求解。以3种典型水闸底板脱空工况为例进行了验证,脱空反演结果与实际脱空范围的相对误差显著减小。模型提高了水闸底板脱空反演的精度,为软基水闸底板脱空检测和诊断提供了一种可靠的方法。

关键词： 中风   眩晕   祛风化痰逐瘀法   血流动力学参数   中医证候评分  

摘要： 目的:观察祛风化痰逐瘀法联合西药治疗中风后眩晕的疗效及对血流动力学参数、外周血人降钙素基因相关肽(CGRP)及可溶性CD40配体(sCD40L)的影响。方法:选取105例中风后眩晕患者作为研究对象,按治疗方式的不同分为西药组52例及中西组53例。2组均接受常规治疗,西药组在常规治疗基础上加用西药治疗,中西组在西药组基础上给予祛风化痰逐瘀法治疗。比较2组治疗前后中医证候评分、血流动力学参数[左侧椎动脉(LVA)、右侧椎动脉(RVA)、基底动脉(BA)的收缩期峰流速(Vs)、舒张期末峰流速(Vd)、平均流速(Vm)],血清相关因子[CGRP、sCD40L、乳脂肪球表皮生长因子Ⅷ(MFG-E8)、内皮素-1 (ET-1)]水平的变化,观察2组不良反应发生情况。结果:治疗2个月后,2组眩晕、头痛、耳鸣、胸闷中医证候评分均较治疗前下降(P<0.05),中西组中医证候各评分均低于西药组(P<0.05)。治疗2个月后,2组RVA-Vs、RVA-Vd、RVA-Vm、LVA-Vs、LVA-Vd、LVA-Vm、BA-Vs、BA-Vd、BA-Vm水平均较治疗前升高(P<0.05),中西组血流动力学各参数均高于西药组(P<0.05)。治疗2个月后,2组ET-1、MFG-E8、sCD40L水平均较治疗前下降,CGRP水平均较治疗前上升,差异均有统计学意义(P<0.05);中西组ET-1、MFG-E8、sCD40L水平均低于西药组,CGRP水平高于西药组,差异均有统计学意义(P<0.05)。中西组不良反应发生率为3.77%,西药组为7.69%,2组比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论:祛风化痰逐瘀法联合西药治疗中风后眩晕可提高其临床疗效,调节血清相关因子水平,缓解临床症状,调控血流动力学参数,安全性较高。