麦克纳姆履带式爬壁机器人磁吸附单元结构设计与仿真

为了解决履带式磁吸附爬壁机器人负载能力和运动灵活性之间的矛盾问题,结合Halbach永磁铁阵列的优势与麦克纳姆轮的灵活性,提出麦克纳姆履带式爬壁机器人的概念,并设计了安装于履带链节上且磁吸附力可调的新型磁吸附单元。首先,介绍磁吸附单元的结构和原理;然后,运用Ansoft Maxwell软件对磁吸附单元进行仿真,通过与传统Halbach磁吸附单元对比分析,结果表明,麦克纳姆履带式Halbach磁吸附单元结构在脱离工作表面时最大最小磁吸附力比值大,使得磁吸附单元便于与壁面脱离;最后,运用ADAMS软件进行磁吸附单元动力学仿真,得到该过程磁吸附力变化曲线图和驱动电机输出扭矩变化曲线图。仿真结果验证了采用麦克纳姆履带式Halbach磁吸附单元的履带式爬壁机器人运动更平稳,灵活性更高,电机消耗功率更少。     

新型双层Halbach永磁单元建模与仿真研究

针对有效提高爬壁机器人磁吸附单元吸附能力的问题,基于磁体同极对接和传统Halbach永磁体阵列吸附单元,提出并设计了一种新型双层Halbach永磁体阵列吸附单元。首先,运用Ansoft Maxwell软件对建立的吸附单元模型进行分析,得到其磁力线和磁感应强度更集中分布在工作间隙中。其次,对磁吸附单元构成模块的相关结构尺寸进行优化分析并得到优化后的结构尺寸。最后,用优化后的吸附单元与传统Halbach磁吸附单元进行仿真比较分析。仿真结果表明,在相同尺寸条件下,新型双层Halbach永磁体阵列吸附单元的磁吸附力提高了50.25%,为磁力吸附爬壁机器人磁吸附单元设计提供了方向。     

球罐爬壁打磨机器人结构设计及其吸附力仿真

针对目前球罐壁面打磨工作存在着效率低下、劳动强度大、施工周期长、安全性差等问题,提出了利用爬壁机器 人携带打磨设备进行打磨工作的方案。分析了爬壁打磨机器人功能原理并找出设计中的难点;设计了一种双履带间隙 磁吸附式爬壁打磨机器人机械结构;利用直线型Halbach永磁阵列设计了一款可调间隙式吸附机构,并对其进行ANSYS 有限元仿真,证明了这种吸附结构具有较大的磁能利用率,得到了它与壁面间的相互作用力随间隙垂直距离变化关系曲 线,同时也为确定吸附力大小提供了依据。     

磁力爬柱机器人磁吸附力分析与仿真研究

为解决磁力吸附爬柱机器人圆柱壁面安全吸附问题,将48块（2 cm×4 cm×1 cm）永磁铁分为9+10+10+10+9、8+9+14+9+8、4+10+20+10+4这3种布局方式,通过Ansoft软件对这3种布局方式每次在相同工作间隙下进行磁力分析,确定最佳布局方式与工作间隙。建立永磁铁块三维模型并考虑圆柱壁面的真实几何形状,完成磁铁块的弧形布局,磁铁块的布局弧形曲率与圆柱壁面曲率相等。充分考虑磁吸附力的方向垂直永磁铁的表面,采用对每块永磁铁分别建立相对坐标系的方法,完成66组仿真实验,并最终确定最佳布局方式为4+10+20+10+4型横排布局和理想工作间隙为2 mm,该结果可用于指导磁力吸附爬柱机器人的制作。     

基于RecurDyn的4旋翼摆臂式清洗机器人设计

针对爬壁机器人越障过程产生的控制复杂和过程运动不连续的问题,课题组通过引入柔性关节,在机器人本体上设计了摆臂越障机构及旋翼推力系统,并从运动学角度分析机器人攀爬障碍物时的运动机理,以及建立了机器人壁面攀爬的运动学模型,计算出机器人在不发生失效形式下,旋翼电机理论输出转矩,绘制了旋翼电机输出转矩和壁面角度变化的关系图,并利用RecurDyn软件对爬壁机器人越障过程进行运动学仿真,绘制出机器人重心高度的变化和时间关系图。结果表明：机器人旋翼推力机构的吸附性能良好,机器人能够平稳地在壁面完成爬行和越障。     

基于遗传模糊算法爬壁机器人避障仿真研究

为解决爬壁机器人壁面作业过程中的避障问题,课题组提出了基于遗传算法优化的模糊控制算法。首先,建立了爬壁机器人在壁面的运动模型,求解出机器人运动学方程;利用平面栅格的方式进行描述机器人运动路径的规划;采用遗传算法对爬壁机器人模糊避障控制进行优化,并给出具体优化步骤。利用MATLAB进行仿真实验,仿真结果表明：与遗传算法进行比较,基于遗传算法优化的模糊控制在准确避开障碍物的前提下,能够更好地跟踪起点和目标点的连线,并规划出从起始点到目标点之间更短的路径。     

昆虫足垫吸附系统的摩擦力和吸附力实验分析

以蚂蚁为对象,对其脚上的吸附力、足垫形态及分泌液性质进行了研究.在自行搭建的微力测试装置上测量了蚂蚁的吸附力和摩擦力;用光显微镜和扫描电子显微镜对蚂蚁光滑足垫及分泌液的形态进行了分析.结果表明,湿吸的水平摩擦力大于垂直吸附力,且摩擦力和吸附力都随着分泌液的减少而增加.昆虫腿的分布及足垫构造对吸附能力有影响,每行走一步足垫都伸展和收缩.     

硅胶键合乙醇胺和二乙醇胺对Cu^2＋的吸附性能研究

研究了硅胶负载乙醇胺(SiO2-MEA)和二乙醇胺(SiO2-DEA)螯合吸附剂对Cu2 的静态饱和吸附量、吸附动力学、吸附热力学、动态吸附以及pH值对其吸附能力的影响.结果表明,SiO2-MEA和SiO2-DEA对Cu2 的静态饱和吸附量分别为0.2086,0.3082 mmol/g;动力学和动态吸附过程符合Boyd方程,即为液膜扩散控制;热力学吸附过程符合Langmuir和Freundlich模型,即为单分子层吸附.     

立面三维可越障清洁机器人系统

针对目前立面清洁机器人壁面吸附能力与越障能力不足的缺点，课题组设计了一种基于4旋翼无人机技术的立面三维可越障清洁机器人机械系统。针对外墙清洁机器人的运动策略及越障策略，采用旋翼吸附的原理，设计了机器人系统结构及机器人本体结构组成；采用无人机技术和升降系统的设计，实现了机器人本体6自由度方向的运动能力；采用无人机技术和履带式行星轮，实现了机器人的越障功能。进行了样机实验，结果表明该机器人具备运动与越障的可行性和平稳性。     

一种新型服务机器人的设计与分析

随着老龄化社会的到来和机器人技术的发展，服务机器人成为了机器人领域的研究热点之一。以提高服务的舒适性为切入点，设了一款新型服务机器人并对其机械臂轨迹规划进行了研究。首先，结合轮式与足式的优点，设计了一种新型轮足式的服务机器人底盘，并且采用麦克纳姆轮进一步提高服务机器人的运动性能；其次，以人臂为参考对象，确定了服务机器人机械臂的自由度，并建立了服务机器人整体三维模型；最后，在MATLAB中建立机械臂模型，分析了其直线插补运动与曲线插补运动。仿真实验表明，机械臂运动时各关节的角位移、角速度和角加速度都是光滑、无跳变现象，即所设计的机械臂无论是做直线运动还是曲线运动都能够平稳的工作。     

可变形履带式机器人行走机构设计及运动仿真

针对移动机器人在非结构化地形环境中负载能力低、运动稳定性较差的问题,设计了一种可变形履带式机器人行走机构。该机器人采用4节履带构型,有效地增加了与地面的接触面积,从而提高了其运动稳定性。将椭圆形成原理应用于履带张紧机构的设计当中,采用双椭圆摆臂回转机构,设计可变形履带机器人模型。为了描绘机器人的越障性能,从运动学的角度分析了机器人在爬越台阶和跨越沟壑2种典型障碍的运动过程,并得出相应的越障极限参数。利用Adams建立仿真模型,对机器人的虚拟样机进行了动力学分析。仿真分析表明机器人能够翻越200 mm高的台阶和300 mm宽的障碍,并得出驱动机器人运动的力矩曲线图。本研究为后续改进及优化研究提供了参考。     

ICPT系统基于电容阵列的稳频控制策略

感应耦合电能传输(ICP)系统在工作过程中,负载变化会引起系统工作频率不稳定,从而导致功率传输效率降低,严重时还可能引起系统工作不稳定。针对此类问题,采用电容阵列动态调节电路并设计改进模糊控制算法,动态调节初级谐振电容阵列等效值,确保系统负载参数变化时系统工作频率的稳定,以提高系统功率传输效率和确保系统稳定性。实验结果验证了该稳频控制方法的有效性和优越性。     

修正的页岩气等温吸附模型

针对Langmuir 等温吸附方程及修正的双朗格缪尔模型（D-Langmuir）在研究非均质吸附介质页岩等温吸附 时，对实验数据拟合精度及稳定性不高的问题，展开了新的等温吸附方程研究，研究中将吸附系统内不同吸附介质 的吸附特征转化为系统内压力的实际作用效果，对D-Langmuir 模型进行压力修正，得到新的、适用于多吸附介质的 P-Langmuir 等温吸附模型。将以上模型应用于渝东南渝页1 井共21 个样品的等温吸附实验数据的拟合，结果表明： Langmuir 模型平均误差在-0.012 0～80.021 2 m3/t；D-Langmuir 模型平均误差在-0.003 64～0.021 20 m3/t；P-Langmuir 等温吸附模型相关系数的平方0.992 5≤R2≤0.999 8，平均误差在-0.003 25～0.003 21 m3/t，相比于Langmuir 方程及 D-Langmuir 方程，P-Langmuir 模型拟合精度更高，稳定性更好，对更准确地评价页岩吸附气量具有一定的实际意义。     

新型外科手术机器人(AOBO)的机构设计及运动学分析

为了提高外科手术机器人的工作空间和手术效率,缩小机器人的操作空间和结构尺寸,以适应针对不同病人的 工作特点和手术环境。研制了一种新型的7自由度外科手术机器人( AOBO),设计了每个关节的动力机构以及专用的 手术器械。肩关节机构处通过1个谐波减速器使得整体运动更加平稳,负载能力更大;大臂和小臂采用高强度低质量的 碳纤维材质制造减少了由于臂长给电机增加的负载,同时建立了其运动学方程,仿真了机器人的工作空间。实物测试实 验表明,该外科手术机器人具有合适的工作空间和很好的动作灵活性,能够满足外科手术对于机器人的准确定位和精确 操作的要求。     

静磁广义多极系统的对称性群及谐波势

将静磁普通多极系统的概念推广到静磁广义多极系统，后者由静磁普通多极系统及静磁圆透镜所组成；并将静磁普通多极系统的Ｍ函数的定义推广到静磁广义多极系统的Ｍ函数，导出了静磁普通多极系统的对称性群与其对应的静磁广义多极系统的对称性群之间的关系，以及它们对其ｍ次偏谐波势的约束之间的关系．在分析了某些重要的静磁广义多极系统后，得到下述结论：如果静磁偏转多极系统和静磁圆透镜很靠近并都含有磁芯，人们就不能肯定地说，由这两者所组成的系统恒可用聚集偏转复合系统理论来处理     

单腿三维跳跃机器人动力学建模及控制

在三维环境中实现连续、稳定和准确地跳跃是单腿跳跃机器人的研究难点，课题组设计了一种质心可准确抵达三维空间中目标位置点的单腿跳跃机器人。基于弹簧加载倒立摆(SLIP)动力学模型，实现了对机器人起跳速度的控制，使可控连续跳跃成为可能；基于反作用轮倒立摆(RWP)动力学模型和角动量守恒定律，实现了在3个惯性尾辅助下的三维姿态实时控制；集成SLIP模型，RWP模型和课题组提出的落地后转向策略，设计了机器人质心可精确到达预期三维目标点的连续跳跃算法。仿真结果表明：该单腿跳跃机器人可实现在三维环境中的连续、稳定和准确跳跃，从而验证了课题组提出的三维跳跃动力学模型及其控制算法的可行性。     

平面近场测量中一种口径场重构技术研究

研究了一种用于平面相控阵天线幅相校准和诊断测试的口径场重构技术.该技术基于等效磁流法,引入矩量法建立平面近场数据与阵列天线口径场分布的联系方程,求解此方程获得阵列天线的口径场分布.模拟计算结果与传统的模式展开法对比,证明了等效磁流法的正确性和可行性;接着讨论了平面近场测试中各关键参数对重构结果的影响;最后基于等效磁流法口径场重构技术实现了某有源相控阵天线的测试和校准,证明了该方法的有效性和实用性.     

基于阵中单元模型的反射阵列天线远场分析方法

针对反射阵列天线远场分析的传统技术采用周期模型等效实际阵列环境的不足,提出一种基于阵中单元模型的远场分析方法。该方法以场叠加原理和等效原理为基础,借助电场积分方程从局域子阵单元上的表面电/磁流计算出单元的阵中方向图,再进行总场合成。数值实验显示,利用该方法得到的反射阵列天线的远场方向图与商用软件FEKO的全结构仿真结果之间有良好的吻合度。该方法为突破大型平面/共形阵列天线的计算受限于计算机硬件的难题提供了一种解决方案。     

采用模糊逻辑的移动机器人轨迹跟踪

针对差动轮驱动的移动机器人动力学的高度非线性和运动环境的不确定性,提出了基于模糊逻辑的移动机器人路径跟踪控制方法。该方法通过合理选择模糊控制器的参数和优化规则库,使其输出合适的线速度和角速度,从而控制移动机器人准确地跟踪预规划的路径。提出了两轮差动式移动机器人的动力学模型,使得该模糊控制器对不同几何参数的差动式机器人具有普遍的适应性。在实际场地试验和亚太机器人大赛中验证该方法的有效性。     

多极磁环二维场分布的有限元计算

为提高多极磁环的设计和制作效率,采用有限元法对多极磁环的二维磁场分布进行数值模拟。在假设磁性材料的导磁率为1.2,矫顽力为11000 Oe的前提下,对稀土材料制作的四极内封闭和外封闭磁体进行了计算机仿真计算,得到了四极内封闭和外封闭磁体的磁力线分布和磁场强度分布图。并与传统的采用公式计算多极磁环的磁场分布的方法进行了比较,得到了较为一致的图形结果。同时采用有限元法得到的场分布为多极磁环的研究提供了更为详细的数据和图形结果,并且考虑了各磁体之间的相互作用和影响,使其仿真结果更接近真实磁场分布。