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关键词： 压电俘能器   双矩形螺旋状   低频多模态   宽频发电   T形梁压电俘能器   单悬臂梁压电俘能器  

摘要： 随着科学技术的发展,人类社会对能源的需求日趋增加,能源短缺和能源使用所带来的环境污染已成为人们必须面对的难题,因此,对于绿色清洁能源的利用开始被世界各国所关注,其中被广泛运用的绿色能源有太阳能、风能、潮汐能、波浪能等。机械振动是一种在自然界和日常生活中常见的物理现象,比如汽车行驶过的路面的振动,火车和地铁运行时铁轨的振动,以及道路边的建筑物也有微弱的振动,作为一种绿色能源形式,机械振动能的能量密度较高,其潜在的能量价值已引起科研人员的关注。为了实现对低频振动能量的收集和利用,并实现较宽频率范围内的机电能量转换,本文设计了一种双矩形螺旋状结构的压电俘能器,该俘能器具有较低的模态频率,在低频范围内模态频率分布集中,可以实现宽频发电的效果。首先,通过理论分析和有限元仿真对双矩形螺旋状多自由度压电俘能器的发电性能进行研究。建立了压电悬臂梁机电耦合模型和压电俘能器系统振动模型,并进行模态仿真,分析压电俘能器前五阶模态振型,验证理论结果合理性。利用有限元仿真软件,分别对双矩形螺旋状多自由度压电俘能器、T形梁压电俘能器、单悬臂梁压电俘能器进行了仿真,探究了压电梁长度及其宽度、金属基片厚度、压电陶瓷片厚度、金属块厚度、压电梁数量对三种压电俘能器各自发电性能的影响。确定了压电片能产生较高的开路电压的三种压电俘能器结构参数,并对具有此结构参数的三种压电俘能器进行模态仿真,分析各阶模态频率及其模态振型。其次,通过实验实际验证双矩形螺旋状多自由度压电俘能器的发电效果。搭建了实验平台,根据仿真确定的结构参数制作了双矩形螺旋状压电俘能器、T形梁压电俘能器和单悬臂梁压电俘能器的实验样机。在2g的激励强度下对三种压电俘能器的发电性能进行了实验,研究不同频率下各压电俘能器每片压电片的开路电压;制作了并联、串联两种标准能量提取电路,研究了压电片串、并联情况下各压电俘能器的输出性能,接入阻值不同的负载研究三种俘能器的最佳匹配阻抗,分析三种压电俘能器的输出电压、输出功率与振动频率的关系。实验结果表明:在2g的激励强度下,双矩形螺旋状多自由度压电俘能器最大的输出功率8.01m W;T形梁压电俘能器最大的输出功率0.15m W;单悬臂梁压电俘能器电最大的输出功率0.053m W。双矩形螺旋状多自由度压电俘能器模态频率分布集中,较优的工作频带为4-18Hz,该频率段内的峰值输出功率均大于4m W,输出功率大于0.1m W的频率段覆盖上述工作频带的33.6%,具有较好的宽频发电性能;T形梁压电俘能器模态频率分布相对分散,具有一定的宽频发电能力,但发电效果远不及双矩形螺旋状多自由度压电俘能器;单悬臂梁压电俘能器在低频范围内只有一个模态频率,且输出功率较低,不适合宽频发电。

关键词： 工业机器人   运动学分析   点云信息   改进APF-RRT算法   避障路径规划  

摘要： 工业机器人在现代制造业转型中发挥着重要作用,依靠自身在生产中的高效率、高精度等特点,逐渐成为工业生产中不可替代的重要角色。机器人避障路径规划一直都是科研人员的研究重点,本文以六自由度工业机器人为研究对象,探究其避障路径规划方法,提出一种改进APF-RRT算法对机器人的避障路径进行规划,并对该算法进行仿真验证。本文主要研究内容如下:(1)对机器人进行运动学分析。采用改进D-H法建立连杆坐标系,推导机器人的正运动学方程,结合腕臂分离法,提出一种逆运动学求解优化算法,以最小化转动角度为目标,选取与初始关节角差值二范数最小的一组关节角作为最优关节角,同时对机器人处于奇异位形时进行分析。利用MATLAB软件建立机器人的模型,对机器人的正、逆运动学进行验证;采用蒙特卡洛方法绘制出机器人的工作空间。(2)对视觉信息进行处理并对碰撞检测进行分析。选取深度相机后,对相机进行内参标定和手眼标定,消除相机采集误差并得到了相机对机器人底座的位姿关系;采用直通滤波算法、半径滤波算法和体素滤波算法对相机采集到的点云信息进行处理和优化,并利用点云信息建立八叉树地图,得到机器人工作空间的环境信息;根据机器人结构特征,将机器人结构抽象成多条线段,并将半径叠加到障碍物上,最后实现碰撞检测。(3)提出了一种改进APF-RRT算法的避障路径规划算法。引入距离因子对APF势场函数进行修改,当陷入局部最小值时切换到IRRT算法;IRRT算法引入双边最近节点选择方法,提出新节点二次扩展法,利用目标偏置引导法和圆锥体子集约束采样、目标引导混合策略进行路径扩展;将IAPF和IRRT算法结合得到改进APF-RRT算法,对搜索后的路径进行冗余检测,剔除冗余节点;使用3次非均匀有理B样条曲线对路径进行平滑。经仿真验证,改进算法所用的时间更短、路径更优。(4)利用ROS系统进行仿真验证。按照URDF格式建立机器人模型,导入到ROS平台中,并对视觉信息处理和避障路径进行验证,仿真结果证明,改进算法规划出的路径具有可行性。

关键词： 压电驱动器   跨尺度运动   三自由度旋转   紧凑结构   宏微双模式   结构设计  

摘要： 随着机器人技术、微纳操控装配、航空航天、生物医疗、光学工程等领域的蓬勃发展，精密多自由度驱动技术已经成为了制约这些领域进一步发展的重要技术之一。传统电磁驱动技术受致动原理及驱动器结构制约已无法满足上述领域所需的兼顾高分辨力、多自由度、紧凑结构等特性。压电驱动技术基于逆压电效应将电能直接转化为机械能，具有分辨力高，响应快、结构灵活，能量密度高，断电自锁，抗电磁干扰能力等优点，在上述领域有着广泛的应用前景。但如何实现兼备高分辨力、大工作范围、多自由度及紧凑的结构仍是目前压电驱动技术领域所面临的一个技术难题。因此，研究多自由度跨尺度压电驱动技术，获得兼备这些特性的压电驱动器有着重要的理论及应用意义。　　本文首先开展了三自由度跨尺度旋转压电驱动器的结构设计及静力学建模研究。研究了驱动器宏微双模式的运动原理以及激励方案，采用粘滑致动原理实现空间大范围运动，采用直接致动原理实现小范围的高分辨力运动。根据宏微双模式的运动原理要求，设计了压电驱动器的基本结构。提出了正交轴系支撑方案，采用贴片式两自由度弯曲压电梁驱动动子实现绕X和Y轴的旋转运动，采用杠杆式柔性压电机构驱动动子绕Z轴旋转运动。然后针对驱动器采用的两自由度弯曲压电梁和杠杆式柔性压电机构，分别建立其静力学模型，可用于三自由度跨尺度旋转压电驱动器的结构优化设计。　　然后，基于所建立的静力学模型，研究了关键参数对输出位移的影响规律，开展结构优化设计并确定了驱动器最终结构尺寸及材料参数。在此基础上建立了两自由度弯曲压电梁和杠杆式柔性压电机构的有限元模型，对它们分别进行了模态分析与静力学分析，获得了两驱动部件的模态频率与输出位移，验证了所建立静力学模型的正确性及所提出宏微双模式运动原理的有效性。进一步加工并制作了两自由度弯曲压电梁和杠杆式柔性压电机构，测试两驱动部件的实际输出位移，与仿真分析结果吻合较好，进一步验证了静力学模型的正确性。　　最后，加工制作样机并搭建实验平台。首先开展了驱动器粘滑致动工作模式下的机械输出特性测试，分别测试了运动耦合特性、速度-电压特性、速度-频率特性以及负载特性的实验研究，然后测试了样机直接驱动模式下的运动范围和位移分辨力。实验结果表明样机绕X轴及Y轴旋转时的最佳工作频率为250Hz，最大速度分别为0.423rad/s和0.438rad/s，样机绕Z轴旋转时的最佳工作频率为750Hz，最大速度为0.975rad/s;样机绕X、Y、Z轴运动产生的最大运动耦合率分别为5.1%、5.2%以及3.5%;样机绕X、Y轴运动的最大负载转矩为0.8N?mm，绕Z轴运动的最大负载转矩为5.76N?mm。样机在直接驱动模式下工作时绕X、Y、Z轴运动的角位移分辨力分别为4.14μrad、4.28μrad以及2.32μrad运动范围分别为±1126μrad、±1140μrad和0-1423μrad。最后开展了所研制驱动器样机的大范围成像应用实验，实验结果初步证明了所提出的三自由度跨尺度旋转压电驱动器在要求兼备大工作范围和高分辨力驱动领域的应用潜力。

关键词： 六自由度   侧向装配   误差分析   刚度计算   精度设计  

摘要： 工业装配中,对于重量大、定位精度高、装配空间狭窄、中小批量、从侧面装入的作业要求,目前大多采用人工装配方法。该方法存在效率低、劳动强度大,易磕碰零部件的安全问题。适用于上述工况条件的自动化、智能化装配设备目前基本没有。针对这一情况,本文提出了一种六自由度侧向装配智能设备原型方案;结合动车组换气扇的装配工艺要求,设计了一种六自由度侧向装配自动化平台。为了解决六自由度的侧向装配智能设备精度评估和系统精度设计问题,对各运动单元和装配系统进行了误差分析和灵敏度分析,基于误差分析结果,给出了误差评估的方法,基于灵敏度分析结果,给出了各运动单元精度设计的允差分配流程。本文的主要研究内容如下:(1)本文提出了一种六自由度侧向装配智能设备原型方案;根据装配技术要求,首先制定了装配工艺流程;在此基础上提出了智能化位姿调整与数控送件入位相结合的设备原理方案。(2)基于设备原型,建立系统误差模型;探讨了各运动单元的误差来源和误差分布规律;运用多体运动学理论对各运动单元和整个装配系统给出了误差分析算法。(3)基于系统误差模型,建立误差灵敏度模型,采用归一化处理方法给出了求得误差项的误差灵敏系数的计算方法,并分析了各误差项的灵敏度规律,给出了允差分配原则。(4)结合动车组换气扇的装配工艺要求,设计了一种六自由度侧向装配平台;(5)针对以上平台,预设了制造精度引起的几何误差,采用有限元法对主要零部件和整机结构进行了刚度分析,并求解了因受力引起的变形误差;将各误差项代入系统误差模型进行误差计算,得到了各运动单元的误差值。对比设计要求,对不合格运动单元进行灵敏度分析,选择高灵敏度的误差项重新进行允差分配,最后给出了满足精度要求的设计公差。通过以上算例验证了误差分析算法、误差灵敏系数的计算方法和允差分配原则的正确性。

关键词： 级联H桥   调制策略   功率均衡   自由度   功率均衡时间  

摘要： 针对级联H桥逆变器在传统的同相层叠(phase disposition， PD)调制策略下，各单元之间存在功率不均衡问题，文中深入分析了自由度控制原理，提出了一种新型功率均衡调制策略，在保证输出功率均衡和电压谐波特性的基础上，缩短功率均衡时间，降低数字控制复杂度。该方法一方面，在PD调制法的基础上对三角载波进行自由度重组，让其均匀分布于不同载波层间，充分利用各输出电平的开关冗余状态，使其在一个载波周期内实现功率均衡来缩短均衡所需时间。另一方面，对调制波垂直自由度重组降低数字控制的复杂度。最后通过仿真和实验对理论分析及可行性进行验证。

关键词： 冗余驱动   并联机构   空间二自由度   工作空间   运动学性能  

摘要： 面向建筑机器人领域的高性能机械臂需求,提出了一种空间2旋转自由度的3-UPS&U冗余驱动并联机构.基于螺旋理论和修正的G-K公式对机构的整体自由度进行分析,确定了其围绕恰约束支链万向副旋转的运动特性.建立驱动参数与末端参数之间的映射关系,得到其工作空间模型.通过主驱动并联、从动约束串联的独立建模,构造了该并联机构完整的广义雅可比矩阵,进一步得到动平台末端中心点线速度与驱动关节速度之间的无量纲化雅可比矩阵,并据此建立了特定工作空间下机构的灵巧度、承载能力和刚度性能评价指标.最后结果表明,3-UPS&U冗余驱动并联机构进行较高频次上下摆动作业时,在约束支链所布置的对应转轴方向上,具有更佳的综合运动学性能,且能大大降低性能衰减的幅度.

关键词： 雷达天线   倒伏机构   丝杠螺母机构   自由度  

摘要： 本文首先介绍了雷达天线倒伏机构的作用并总结了目前常用机构的类型和特点。基于平面机构原理,采用全机电伺服传动方案的新型机构提出了一种采用机电伺服传动方案的新型机构。文中重点论述了该机构的工作原理和工作过程,介绍了机构设计计算过程。最后对提高设备的低温性提出了可行的建议提出了该机构的手动操作方案。

关键词： 鞭梢效应   质量比   刚度比   模态分析  

摘要： 为了更加全面准确地了解双自由度体系鞭梢效应发生的机理及影响因素,针对无阻尼和有阻尼两种情况,以上部结构与下部结构绝对位移的振幅比作为鞭梢效应的表征量,系统研究了外激励频率与上部结构自振频率之比、上部结构与下部结构的质量比和刚度比、结构阻尼比四种参数的影响。结果表明:对于无阻尼体系,鞭梢效应仅与频率比有关,当频率比为1时,振幅比为无穷大;对于有阻尼体系,若结构两阶振型阻尼比相等,随着阻尼比的增大,鞭梢效应减弱,质量比和刚度比不明显影响结构的鞭梢效应;若结构两阶振型阻尼比不相等,当刚度比远大于质量比时,二阶振型阻尼比对鞭梢效应影响更明显;当刚度比小于或等于质量比时,一阶振型阻尼比对鞭梢效应影响更明显。

关键词： 智能汽车   动力学模型   线性化   模糊滑模控制  

摘要： 针对智能汽车运动过程中存在的车身姿态变化问题以及运动控制精度问题,设计了一种基于非线性3自由度动力学模型的模糊滑模横向运动控制器。建立了包括侧倾运动的3自由度动力学模型,进行了模型线性化;对基于线性化处理后的动力学模型进行了滑模控制器设计,通过控制前轮转角实现了路径跟踪横向控制,并引入了模糊控制提高控制效果,本控制系统能够在跟踪过程中对车身姿态变化进行观察。仿真结果表明,搭建的基于3自由度动力学模型的模糊滑模控制器能够在考虑侧倾运动的基础上,实现路径跟踪,且构建的模糊滑模控制系统相较于传统滑模控制其横向偏差与方向偏差分别降低了7.28%和1.50%,同时模糊控制也减弱了滑模控制固有的抖振影响。

关键词： 并行非定域Toffoli门   超纠缠   量子点-双边光学腔  

摘要： 三量子比特Toffoli门非定域远程实现在量子通讯网络、分布式量子计算中有重要应用.已有的Toffoli门非定域远程实现方案大都基于量子系统单一自由度,本文提出超纠缠信道下基于量子点-双边光学腔的两自由度并行非定域Toffoli门远程实现方案.通讯方Alice,Bob使手中光子依次进入量子点-双边光学腔,对光学腔中电子以及纠缠光子执行单粒子测量;Charlie依据纠缠光子单粒子测量结果,执行相应局域幺正操作和极化、路径自由度单粒子测量.Alice和Bob依据单粒子测量结果执行相应局域幺正变换即可完成两自由度并行非定域Toffoli门远程实现.方案以极化、路径两自由度超纠缠光子为量子纠缠信道,具有信道容量高、并行性强的优点.