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关键词： 25-hydroxyvitamin D   Nailfold capillaroscopy   Osteoporosis   Rheumatoid arthritis   Vascular endothelial growth factor   甲襞微循环   类风湿关节炎   血管内皮生长因子   骨质疏松   25 羟基维生素D   Language of Keywords: English   Chinese  

摘要： 目的 探讨早期类风湿关节炎患者甲襞微循环异常与病情活动性及骨质疏松的相关性。方法 收集60 例早期RA 患 者及60 名健康对照者的血清，测定甲襞微循环积分，酶联免疫法测定其25(OH) D 浓度，运用双能X 线吸收仪测定RA 患者骨密度，详细记录RA 患者临床、实验室及影像学资料，计算疾病活动性。影响因素分析采用多元线性回归分析和 Logistic 回 归分析进行统计学分析。结果 ①RA 患者甲襞微循环水平高于健康对照组，差异有统计学意义［(6. 13 ± 1. 92) 与(4. 70 ± 1. 54) ，t = 3. 174，P = 0. 018］; ②甲襞微循环积分分别与RA 患者DAS28 积分、ESR、CRP、抗 CCP 抗体滴度相关(r = 0. 515、 0. 579、0. 422、0. 473，P 均< 0. 05) 同时，甲襞微循环积分在不同疾病活动度的RA 患者中表达差异有统计学意义; ③线性回 归分析提示RA 患者血清甲襞微循环积分增高是疾病活动性的危险因素(β = 0. 376，P = 0. 013) ; ③VEGF 水平随25(OH) D 减 低表现出增高的趋势，但差异无统计学意义(P = 0. 702) ; Pearson 相关分析显示甲襞微循环积分与25(OH) D 水平呈负相关(r = － 0. 593，P < 0. 001) ; ④34 例维生素 D 缺乏的患者均给予2 周的阿法骨化醇补充治疗，血清25(OH) D 水平从(14. 0 ± 3. 4) ng /mL 增加到(18. 0 ± 4. 2) ng /mL，同时甲襞微循环评分由(6. 68 ± 2. 06) 下降到(4. 62 ± 1. 69) 。两者治疗前后比较均有统计学意义(t = － 11. 913，P < 0. 001 和t = 14. 742，P < 0. 001) ; ⑤Logistic 回归分析发现甲襞微循环、年龄和DAS28 是骨质疏松的 危险因素(OR 分别为1. 632、1. 257 和1. 506; P 分别为0. 003、0. 015、0. 047) ，而25(OH) D 是 RA 患者骨质疏松的保护因素 (OR = 0. 65， 95%CI 0. 44 ～ 0. 96，P = 0. 032) 。结论早期RA 患者甲襞微循环异常与病情活动度相关; 甲襞微循环积分增高是骨质疏松发生的危险因素。对于合并维生素D 不足的 RA 患者，补充维生素 D 或许有助于微循环功能的改善。 [ABSTRACT FROM AUTHOR]

关键词： 轨迹规划   工业机器人   D-H模型   蚁群算法   虚拟监控  

摘要： 随着《中国制造2025》与工业4.0的提出,以工业机器人为代表的智能制造装备得到了飞速发展。对于工业机械臂而言,轨迹规划研究为其精准稳定的工作提供了重要的保障。本文主要研究了机器人的轨迹规划方法,并搭建了机器人虚拟环境,实现了对机器人虚拟示教和虚拟控制,为虚实结合数字生产线的研究提供了思路。本文首先介绍了机器人的位姿表示方法,采用改进的D-H法建立了MH5F型机器人模型,并分析了六自由度机器人正向运动学和逆向运动学,并对机器人工作空间进行了仿真分析。其次,针对传统规划算法存在的缺陷,使用了一种基于不同频率的正弦函数与余弦函数组合的规划方法。通过与抛物线、多项式等规划方法对比,发现本方法具有较小的速度与加速度,有益于降低减小机器人受到的冲击、降低磨损。然后,分析了当前已有算法在三维空间下路径规划的缺点,利用融合了人工势场思想的蚁群算法,阐述了改进后算法的优势,利用该算法对机器人末端执行器在其工作空间内进行了避障路径规划,并利用实际机器人实验平台对仿真结果进行了实验,分析了不同路径对机器人轨迹的影响。最后,针对当前机器人监控技术的不足,设计了一种基于虚拟现实技术的机器人监控系统。搭建了虚拟环境,开发了上位机软件与示教器,实现了对机器人的虚拟示教功能。同时,使用TCP/IP协议完成了机器人本体与上位机的数据通讯,实现了利用虚拟机器人对机器人本体的远程控制与状态监测的功能。经过测试发现,该系统满足实时监控的需要。

关键词： 并联平台   位姿跟踪   运动学分析   自抗扰控制器   滑模控制  

摘要： 并联四自由度运动平台主要用于模拟车辆的实际姿态,在模拟实验过程中,平台对给定目标位姿的跟踪效果直接决定模拟实验的好坏程度,因此,对位姿的跟踪有严格的精度要求。由于平台运动过程中易受外部干扰以及关节耦合力的影响,传统的控制方式已经不能满足其控制精度要求。因此,需要设计一种控制精度高,抗干扰能力强的运动控制器。本文以实际工程项目为背景,以并联四自由度运动平台为研究对象,以提高平台的控制精度为目的,做了如下研究:首先,对平台进行了运动学建模。结合空间位姿描述以及坐标变换,给出了并联四自由度运动平台的逆解方程和正解方程,为平台的跟踪控制研究奠定了基础。其次,根据基于关节空间的整体控制策略,对单个伺服关节支路进行了数学建模,然后根据系统存在内部参数摄动以及关节之间相互的耦合力等不确定性干扰的存在,设计了自抗扰控制器,并对单关节伺服支路和整个平台的位姿进行了仿真研究。再次,为了进一步提高系统的响应速度,进行了研究,设计了基于扩张状态观测器的滑模控制器,结合平台运动学分析并对单关节伺服支路和整个平台的位姿进行了仿真研究,证明了基于扩张状态观测器的滑模控制器的有效性。最后,针对平台的控制要求和算法实现的要求,设计了并联四自由度运动平台的控制系统,完成了硬件的选型和搭建,上位机程序和下位机程序的设计,并实现了上位机和下位机之间的通讯,为算法在实际系统中的实现和后期平台的调试奠定了基础。

关键词： 工业机器人   刚度   位姿   钻孔质量  

摘要： 由于机器人制孔技术具有自动化程度高、工作性能稳定、可达性好等优点,在航空制造业中广泛应用。但是,与数控机床的刚度相比,串联型6自由度工业机器人的系统刚度较小,不利于提高机器人制孔质量。因此,为了获得高质量的制孔,非常有必要改善机器人末端刚度性能。本文采用数值模拟以及实验研究的方法分析位姿对机器人末端刚度性能的影响规律,通过优选位姿来改善机器人末端刚度性能。本文研究成果在基于机器人末端整体线刚度性能最优原则,选择较佳的机器人制孔位姿来提高制孔质量方面,具有实际的工程应用价值。首先,根据FANUC R-2000i型机器人各连杆坐标系的原点在同一个平面特点,建立了机器人等效机构模型,再依据机器人钻孔的实际情况,建立了机器人钻孔位姿求解几何模型。通过本文提出的“平面几何法”求出4种机器人钻孔位姿,并通过实验证明了该方法的正确性。其次,将机器人的整体传动系统分解为6个独立的子系统,基于等效刚度原则,根据关键零部件刚度计算的经验公式,求解出机器人6个关节的刚度理论值。再次,采用数值模拟以及实验研究的方法分析了位姿对机器人末端刚度的影响规律:当机器人处于同一种位姿时,机器人末端y方向的刚度大于x方向、z方向的刚度;位姿对机器人末端y方向刚度影响程度最大,对z方向刚度影响程度最小;在4种位姿的机器人中,第4种位姿的机器人末端x方向、y方向、z方向的刚度最大,并且整体线刚度性能优于其它3种位姿机器人末端整体线刚度性能。此外,对不同种位姿的机器人进行了模态分析。最后,搭建机器人钻孔实验平台。确定制孔末端执行器的关键参数以及相应的钻削用量。对不同位姿的机器人进行了钻孔实验,以孔的圆度和直径尺寸误差来评价机器人钻孔的质量。最终实验结果表明,基于机器人末端整体线刚度性能最优原则,选择相应的机器人钻孔位姿,有利于提高钻孔质量。

关键词： 七自由度机器人   旋量理论   新型子问题   轨迹规划  

摘要： 随着机器人工作环境复杂程度越来越高,七自由度机器人以其高灵活度和适应性在实际作业中显得更加重要。其中,能否准确求解机器人运动学是保证机器人达到作业要求的基础。运动学求解方法可分为数值解和封闭解两大类,但是数值解存在精度低和实时性差的问题,不适用于多自由度机器人求解;当前封闭解法求冗余机器人运动学主要为Paden-Kahan子问题法,但这种方法对机器人结构具有特殊要求,不具备通用性。本文给出一种能够对任意相邻两个关节角度进行求解的新型子问题算法,并用此算法对七自由度机器人进行逆运动学求解。基于此,首先将七自由度机器人前四个关节分解为两个二阶问题,然后运用新型子问题算法对这两个二阶问题进行计算,最后结合现有的Paden-Kahan子问题思想计算后三个关节便可完整求解七自由度机器人各关节角度。这样就将七自由度机器人逆解问题转化为了新型子问题进行求解,降低了计算量,使得计算结果更加准确。论文具体内容如下:首先,运用旋量理论建立七自由度带电作业机器人指数积(POE)模型,并求解机器人正运动学末端位姿矩阵。为了验证模型建立的正确性和所得正解的奇异性,对机器人单个关节运动以及连续关节运动时末端位姿变化情况进行了仿真。其次,根据七自由度机器人前两个肩关节和后三个腕关节分别交于一点,并且轴关节平行的特点,先利用消元法先将腕关节暂时消去,然后分别运用新型子问题对肩关节和肘关节进行求解,随后结合已知Paden-Kahan子问题的思想求出腕关节的三个角度,并对所求的解进行仿真验证。最后,将求出的逆解结果分别代入到插值法和组合正弦函数法中对七自由度机器人进行轨迹规划,通过MATLAB仿真验证可知运用新型子问题求出的逆解能够保证位置、速度、加速度、冲击曲线连续性和精确性,并能够满足机器人的强实时系统控制要求。

关键词： 自由度计算   教学模式   教学方式  

摘要： 本文结合技工院校学生的学习特点,对机械设计基础课程中"平面连杆机构自由度计算"的传统教学模式进行分析,指出传统教学模式存在的弊端,并结合自己的教学实践提出新的教学方式。

关键词： 两自由度直驱感应电机   动子结构   耦合磁场   磁耦合效应   速度耦合因子   三维有限元法  

摘要： 两自由度直驱电机能够直接实现旋转、直线与螺旋运动,摒弃传统的中间传动装置,具有体积小、集成度高、控制精度高等优点,在机械制造、机器人手臂、多坐标机床等工业领域具有重要的应用价值,是国内外电机专家与研究学者的研究热点。本文所研究的两自由度直驱感应电机(2DoFDDIM)采用等内外径的双定子空间相对分布,且共用一个实心动子,结构简单,体积小,具有很高的应用与研究价值。本文以2DoFDDIM为对象,研究2DoFDDIM的耦合磁场特性、磁耦合效应以及动子优化设计等一系列的关键理论与技术问题,为该电机的进一步研究和开发应用奠定基础。论文主要进行以下几个方面的研究:1.计算了2DoFDDIM旋转部分耦合磁场的分布,分析了旋转部分耦合磁场的分布与变化规律。由于2DoFDDIM定子铁心的开断结构以及旋转与直线定子的空间安装方式,在工作时会产生复杂的气隙磁场,包括有效磁场、耦合磁场与无效漏磁场,其中耦合磁场是由旋转或直线部分产生的耦合于相对部分的磁场。耦合磁场特性的分析对于2DoFDDIM磁场及其耦合的研究具有重要意义。以旋转耦合磁场为例,本文计算旋转部分耦合磁场的分布,并建立了旋转部分耦合磁场的有限元分析模型,分析了旋转部分耦合磁场的分布与随气隙长度、旋转速度的变化规律。最后建立耦合样机对有限元模型进行了验证。耦合磁场分布与变化规律的研究为2DoFDDIM磁场耦合的研究奠定了基础。2.分析了2DoFDDIM磁耦合效应,包括静态磁耦合与动态磁耦合效应对电机性能的影响。由于2DoFDDIM定子结构及其空间安装方式,2DoFDDIM内部存在着复杂的磁耦合效应,包括静态磁耦合与动态磁耦合效应。静态磁耦合指单自由度运动时通电部分对静态部分(未通电部分)的磁场耦合造成静态部分产生感应电压与电流的现象;动态磁耦合效应指螺旋运动时由于磁场耦合造成的电机性能相比于单自由度运性能的变化。其中,静态磁耦合效应会在相对绕组中产生三相不对称的感应电压、感应电流,耦合强度会随着电源频率、旋转速度的增加而提高;动态磁耦合效应会造成螺旋运动时旋转部分与直线部分相比于单自由度运动时转矩(推力)下降、速度降低、波动增加。同时通过2DoFDDIM样机实验验证了磁耦合效应的存在与三维有限元模型的正确性。3.提出了速度耦合因子来反映耦合磁场对电机速度的影响,并解释了旋转耦合因子与直线耦合因子不同的原因。针对耦合磁场造成的螺旋运动时旋转运动分量与直线运动分量相对于单自由度运动时速的降低,提出了速度耦合因子反映耦合磁场对电机速度的影响,并解释了直线耦合因子大于旋转耦合因子的原因。通过三维有限元法计算可知,旋转耦合因子随旋转速度的降低而增大,直线耦合因子随直线速度基本不变。旋转耦合因子随旋转速度与直线耦合因子随直线速度的变化规律与耦合强度随速度的变化规律相符,说明了耦合磁场强度越大,磁耦合效应对电机性能的影响越大。4.提出一种适用于2DoFDDIM的新型开槽铸铜动子结构,分析动子结构变化对2DoFDDIM特性的影响。针对2DoFDDIM采用光滑覆铜实心动子存在的动子损耗大,温升高,效率低等缺点,提出一种适用于2DoFDDIM的新型开槽铸铜动子结构,沿光滑实心动子表面轴向与周向同时开槽,槽内铸铜。通过齿槽材料磁导率与电导率的不同来改善电机磁场与动子涡流场分布,达到改善电机性能的目的。结果证明,相比于光滑覆铜实心动子,能够有效的降低动子损耗,提高电机出力,减小波动,提高电机性能;同时也验证了通过动子拓扑结构设计改善两自由度感应电机性能的可行性,为两自由度感应电机的优化设计提供新的方向。

关键词： 四旋翼飞行器   解耦控制   能量优化   硬件设计   软件实现  

摘要： 由于四旋翼飞行器结构简单、携带方便，且具备一定的载荷升空作业能力，使得四旋翼飞行器在生产生活中得到了广泛的应用。但随着生活水平的提高和工业技术的发展，人们对传统四旋翼飞行器在功能和性能上提出了更高的要求，例如位置与姿态的解耦控制。由于传统四旋翼飞行器是一个非线性、强耦合的欠驱动系统，使得四旋翼的位置控制与姿态控制是一个联系紧密的整体，即实现位置控制必然对姿态控制产生一定的影响，反之亦然。为了解决这一问题，本论文研究一种新型六自由度全控的四旋翼飞行器，其研究内容主要包括以下几部分。　　首先，改变传统四旋翼飞行器的机械结构，设计出一种满足六自由度全控的新型四旋翼飞行器机械结构，并从位置控制和姿态控制原理的角度论证了该新型飞行器的可行性。为了对所设计的机械结构进行定性与定量分析，本论文对其进行严密的推导，结合刚体运动学和动力学，最终建立该四旋翼飞行器运动学与动力学模型。　　其次，基于所建立的数学模型，本论文运用经典控制理论和现代控制理论为这种新型四旋翼飞行器设计了性能稳定的控制器，使其具备自主飞行的能力。此外，为使其具备高效、节能的特点，本控制器设计主要是基于能量最优的PID控制，使得四旋翼飞行器运动控制保持在能量最优的飞行状态。然后通过设计两组仿真实验，以验证算法的有效性和可行性。仿真实验主要从这种新型四旋翼飞行器的功能和性能角度予以设计，并设计了两组仿真实验，其中第一组实验主要验证其位置与姿态解耦的功能，第二组实验主要验证其六自由度全控的目标追踪能力。　　最后，从硬件设计和软件设计角度论述这种新型四旋翼飞行器的具体实现。本文针对这种新型四旋翼飞行器应具备的功能，以模块化的设计理念构建硬件平台。在软件设计过程中，充分考虑其设计的灵活性、可扩展性以及可移植性，并通过实际的编程语言C++实现软件需求分析所设计的功能和飞行控制算法。

关键词： 饱和砂土   循环加载   剪胀   边界面塑性模型   三维化   子增量步   显式积分算法  

摘要： 海洋工程中嵌入式锚固结构通常承受由风、浪、流等引起的长期低频循环荷载,研究这类荷载作用下结构的承载性能与动力响应,对保证嵌入式锚固结构的长期安全稳定具有重要的意义。目前,针对嵌入式结构循环承载性能的研究主要基于模型试验和现场试验,有效的数值分析方法尚未建立。边界面塑性模型具备模拟土体复杂动力行为的能力,因此,可以利用边界面塑性模型对嵌入式海洋结构进行数值分析。然而,若想将边界面模型应用于具体的岩土工程边值问题,则必须先对模型进行三维化和数值积分。本文基于一种适用于饱和砂土循环动力分析的边界面塑性模型,致力于将其从二维应力空间扩展到三维应力空间,并建立与三维模型配套的数值积分算法。首先,本文采用修正广义Mises应力替换法将适用于饱和砂土循环动力分析的边界面塑性模型扩展到了三维应力空间。该三维模型采用了非相关联流动法则,结合与状态相关的膨胀函数,以描述砂土的剪胀特性;采用具有峰值应力比概念的塑性模量公式,以模拟密砂的应变软化特性。其次,本文采用带有自动误差控制的子增量步显式积分算法对模型进行积分,建立了边界面塑性模型的显式积分算法流程,并利用有限元软件ABAQUS中的用户自定义材料子程序接口UMAT,将该算法流程编制成可用于有限元计算的FORTRAN格式程序。最后,针对Toyoura砂在单调荷载和循环荷载下的三轴试验、以及Leighton Buzzard砂的地基承载试验,建立数值模型进行模拟,并与试验结果进行对比。结果表明,无论在土体单元层面还是宏观岩土工程边值问题层面,子增量步显式积分算法对边界面塑性模型的积分都具有适用性和准确性,同时,也证明了修正广义Mises应力替换法对边界面塑性模型进行三维化的有效性。通过设置不同的允许误差和增量步大小对同一静三轴试验进行模拟,证明了子增量步显式积分算法的稳定性和高效性。

关键词： 六自由度串联机器人   运动学   轨迹规划   自抗扰控制  

摘要： 随着我国经济水平的提高,工业的发展进程也逐渐加快。工业机器人具有稳定可靠、重复精度好、工作效率高、能够在高危环境下工作等优势,在传统制造业转型升级为劳动密集型产业的过程中将发挥重要作用。如今,工业机器人已经逐渐被应用到工业制造当中的各个领域,其所应用的技术也越来越先进。本文选取一种不满足Pieper准则的六自由度串联机器人为主要研究对象,以实现高精度控制为目标,进行了运动学建模、轨迹规划和轨迹跟踪控制等方面的研究,主要的研究工作包括以下几个方面。(1)对本文的六自由度串联机器人采用旋量法建立了正运动学模型,并改进了一种基于实数编程的遗传算法,用来对机器人运动学进行求逆,通过算例验证实验,验证了所改进的算法能够实现高精度解的求解。(2)对机器人任务空间轨迹规划进行了研究,针对空间位置轨迹规划,建立了多点直线和直线圆弧混合两种轨迹规划算法。针对姿态轨迹规划,改进了一种基于圆弧混合四元数的多姿态轨迹规划方法,通过算例验证实验,实验结果表明所改进的算法能够生成二阶光滑连续的姿态轨迹。(3)对机器人轨迹跟踪控制进行了研究,建立了一种基于ADRC自抗扰技术的机器人轨迹跟踪控制方法,并提出了改进的控制方案,采用MATLAB与ADAMS联合仿真技术,验证了 ADRC自抗扰控制技术运用于机器人轨迹跟踪上的可行性,而且改进的ADRC自抗扰控制方法相比于典型ADRC具有更高的关节轨迹控制精度。(4)对机器人进行任务空间轨迹跟踪精度测试仿真实验。对比分析了典型与改进自抗扰控制方案的任务空间轨迹跟踪控制精度。仿真结果表明:所提出的改进自抗扰控制方案位置轨迹跟踪控制精度相比于典型自抗扰控制方案缩小了近50倍,其精度值为0.01mm,其姿态轨迹跟踪控制精度缩小了 15倍,其精度值为0.010°。