自适应材料插值在柔顺常力机构非线性拓扑优化中的应用

为解决柔顺常力机构的非线性拓扑优化中存在的数值不稳定问题,对非线性拓扑优化的材料插值方法进行了研究。首先,根据常力机构的工作特点以及输出特性,分别构建了其非线性拓扑优化的设计域以及优化模型;然后,对数值不稳定问题产生的原因展开了讨论,从控制应变以避免数值不稳定问题的角度出发,提出了一种新的材料插值模型,模型中引入了参数α,对低密度单元抗变形能力进行了统一调节,并根据最大等效应变给出了一种参数α的自适应调整策略;最后,基于提出的材料插值模型,推导了常力机构优化模型的目标函数敏度表达式,对不同常力区间的常力机构进行了优化,分别对优化结果以及优化效率进行了讨论;并搭建了实验平台,对优化得到的常力机构的实际输出性能进行了验证。实验结果显示:该方法优化得到的常力机构在特定的常力区间内,最大输出力误差为2.3%。研究结果表明:自适应材料插值方法有效地避免了数值不稳定问题,稳定性得到了提升,且优化效率相比于附加超弹材料方法得到了提升。

平面3-RRR柔性并联机构自激振动智能控制

平面3-RRR柔性并联机构的闭链耦合约束作用导致其奇异性复杂,而机构在逆向雅可比奇异位形附近易发生自激振动,严重影响机构的精度并对其结构造成破坏。为了让并联机构重新恢复正常工作,设计振动主动控制算法对自激振动进行抑制。首先,建立了机构的逆向运动学模型,并基于速度雅可比矩阵获得并联机构的奇异判定条件;其次,在完成自激振动产生机理分析的基础上,对振动加速度信号进行了滤波和移相处理;然后,结合加速度反馈与位置误差补偿,设计了模糊神经网络非线性控制器、反向传播(back propagation,简称BP)神经网络自抗扰控制器;最后,通过振动主动控制实验,验证了2种智能控制算法的有效性。实验结果表明,所设计的2种控制算法能够在保障并联机构位置精度的条件下,对自激振动进行快速且有效的抑制。

基于最小化各向同性误差的LiDAR-双目相机标定方法

LiDAR(Laser Imaging,Detection,and Ranging,激光雷达)与双目相机的多模态数据融合是3D重建领域的一个重要研究方向,两种传感器各有优缺点,通过多模态数据融合可以实现互补,获得更好的重建效果。为了实现数据融合,首先需要将两种数据统一到同一个坐标系下,LiDAR与相机之间外参的高精度标定结果对后续的3D重建十分重要。在LiDAR与相机的外参标定过程中,受LiDAR点云的稀疏性与其定位误差的影响,提取精确的特征点并构建正确的点对应关系是一个挑战性的问题。此外,LiDAR在球坐标系下完成测量工作,而大多数标定方法忽略这一特性,直接使用笛卡尔坐标测量结果进行标定,引入了沿坐标轴各向异性分布的误差,导致标定精度下降。针对该问题,有研究者提出了各向异性权重方法,但仍存在一些缺陷。文中提出了一种最小化LiDAR球坐标误差的LiDAR与双目相机标定方法。首先,提出了一种使用形心特征点的新的标定板,改善特征点的提取精度;其次,将各向异性的LiDAR笛卡尔坐标误差转换为各向同性的球坐标误差,直接最小化球坐标误差求解外参。实验研究表明,本文提出的各向同性误差法相比各向异性权重方法保证求解结果为全局最优,且在牺牲部分精度的前提下所需标定样本数大幅减少,在最优标定误差为2.75 mm的情况下牺牲3.6%的精度能够减少约54.5%的数据量。

S变换子域适应的扶梯电机轴承迁移诊断

在缺乏足够的扶梯电机轴承故障数据的情况下,针对扶梯在频繁变载变速的运行状态中轴承故障特征不稳定的问题,提出了Stockwell(S)变换结合子域适应的扶梯电机轴承迁移诊断方法。首先,针对扶梯电机轴承的故障特点,采用S变换结合双线性插值算法生成振动信号时频图。该时频图能有效反映轴承故障特征,并与后续的生成/与特征提取网络输入要求相适应。其次,在基于深度残差神经网络ResNet-50的特征提取网络层的输出端引入局部最大均值差异(LMMD),将故障样本的类别置信度作为映射后的权重引入最大均值差异(MMD),在对齐源域和目标域全局分布的同时,对齐同类别样本所属的子域的分布,同时拓展可迁移学习的范围。然后,构建网络的最小化LMMD和交叉熵损失函数,采用小批量梯度下降法训练网络。从而可通过细化不同故障类别间特征差异实现故障子域自适应,并克服迁移诊断精度低的问题。最后,基于两个公开的轴承故障数据集和少量扶梯电机轴承故障数据构建S变换后的时频数据集,并进行迁移诊断实验验证。结果表明,本方法对扶梯轴承的两种源域到目标域的迁移诊断平均准确率分别达到99.1%和95.49%,识别精度和鲁棒性明显优于5种常用的诊断方法。

基于并行策略的多材料柔顺机构多目标拓扑优化

多材料柔顺机构能够让设计者充分利用各种材料的优良属性,在力,位移,以及能量转移等方面获得更大的设计自由度,因而受到重视。针对受到广泛研究的柔顺机构,结合多目标拓扑优化的方法,提出相应的基于并行策略的求解模型。该方法的核心是将一个复杂的多材料多目标问题离散成为单材料子问题,然后并行求解,再根据整体目标的需要,对所有子问题的解进行调整以得到原始问题的解。针对多目标情形,提出新的材料与输出目标关系,从而在将多材料问题离散成单材料子问题的同时,也将多目标问题离散成单目标子问题。对所有的单材料单目标子问题采用各向同性材料的刚度插值-惩罚法并行独立求解。以上方法有其独特优势:在理论和实践上都比较简单,可以处理任意多种材料,可以避免零碎的拓扑结构因而有利于制造。通过算例说明了此方法的有效性。研究结果表明,该方法在某些输出需要特定材料的设计场合更具优势。

柔性机构弹性振动的主动控制

应用模态控制理论，对柔性机构弹性振动的主动控制问题的原理与策略进行了研究，给出了相应的最优控制规律并对其稳定性进行了讨论。在此基础上研究了由机构弹性位移和速度的测量值估计对应模态信息的方法，在这个方法中还考虑了控制溢出的影响，另外还讨论了将模态控制力转化成实际控制力的有关问题。最后，对一柔性４杆机构轨迹发生器及一两关节柔性机械手的在线振动和残余振动的主动控制进行了计算机仿真。

压电陶瓷驱动三自由度精密定位系统的弹性动力学与输入调理特性研究

对压电陶瓷驱动三自由度精密定位系统的动力学性能进行了研究。首先建立了系统的弹性动力学模型,采用变截面框架单元描述柔性铰链,给出了其单元刚度矩阵和质量矩阵。通过实验获得了系统的低阶模态参数,并和分析结果进行了比较,验证了所建动力学分析模型的正确性。提出了基于动力学特性分析的驱动输入调理概念。分别采用正弦曲线和五次多项式作为调理函数对系统驱动的动态性能进行了研究。研究结果表明:对驱动输入进行必要的调理是十分必要的,所采用的两种调理方法均有效改善了系统的驱动特性,但由于采用五次多项式作为调理函数完全避免了驱动开始和结束时的加速度冲击,因而可获得更好的驱动效果。

弹性连杆机构振动主动控制中作动器与传感器的位置优化

对机构振动主动控制中作动器和传感器位置的优化问题进行了研究。基于对连杆机构受控子系统能控度、能观度和剩余子系统能控度、能观度的分析 ,确定了能够综合反映主动控制器作动和检测能力及避免“溢出”的性能指标函数 ,建立了相应的优化模型 ,在此基础上 ,采用约束变尺度法对该优化问题进行了求解。最后 ,通过算例说明了本文方法的可行性和正确性。

柔性机构振动控制的研究进展及存在的若干问题

闭链及开链柔性机构的振动控制问题已引起了许多研究者的关注，正逐渐成为机构动力学的一个新的研究热点。本文从被动控制、主动控制及主被动一体化控制等方面论述了柔性机构振动控制领域的研究现状、主要研究方法及存在的问题。提出了当前研究中应着重注意的几个方面和需要解决的关键问题。

鱼藤的三个新三萜化合物

从民间杀虫植物鱼藤 (DerriseriocarpaHow)的根中分离得到 5个三萜化合物 ,经波谱和化学分析确定了这些化合物的化学结构。其中化合物 1(3β ,15α dihydroxy olean 12 (13) en 16 one) ,2 (3β ,15α ,2 3 trihydroxy olean 12 (13)en 16 one) ,3 (15α hydroxyl 16 oxo olean 12(13) en 3 O β glucuronopyranoside)为新化合物 ,命名为鱼藤三萜素A ,B ,C。两个已知三萜为 2 β ,3β ,2 8 三羟基 12 (13) 烯 -齐墩果烷和 β 香树脂素 (β amyrin)。另外还得到了二十七碳脂肪酸单甘油酯和 β 谷甾醇。

3-RRR并联机器人含间隙的运动学标定及误差补偿

机器人构件几何尺寸误差与关节间隙共同影响了机器人的定位准确度与精确度.文中基于考虑关节间隙的误差模型,使用运动学标定的方法对上述两误差源进行了识别,分析了关节间隙对重复定位中误差分布规律的影响.通过在逆运动学模型中补偿识别到的构件几何误差,以及将标定后的定位误差补偿到控制指令,提高了机构定位准确度;通过在控制中实时补偿关节间隙对定位误差的影响,提高了重复定位精确度.

紫芝中三萜化合物标准化提取方法研究

为了更好地发挥紫芝的药用功效,本文优选了紫芝子实体三萜类化合物的提取条件。采用L9(34)正交实验设计,以提取溶媒、提取方法、提取时间和提取次数四因素三水平的提取工艺优选。各因素重要性依次为提取溶媒>提取次数>提取方法>提取时间。本文确定了以氯仿或丙酮为提取溶剂提取紫芝中三萜类物质的标准化方法。在提取过程中如果采用甲醇、乙醇或水作为提取溶媒,虽然提取效率高,但含糖、氨基酸等其它非三萜成分多,三萜类物质提取不全。

多输入多输出柔顺机构拓扑优化及输出耦合的抑制

多自由度柔顺机构在微动精密定位和精密操作等领域有广泛的应用,因而研究多自由度柔顺机构的拓扑优化方法就显得十分必要。给出了一种多输入多输出柔顺机构拓扑优化设计的新方法。首先,推导了描述多输入多输出柔顺机构柔性的互应变能公式和描述机构刚性的应变能公式,研究了抑制耦合输出的策略,进一步给出了描述输出耦合效应的计算公式,在此基础上建立了考虑抑制输入输出耦合效应时柔顺机构的多目标拓扑优化设计模型。其次,基于改进的优化准则法给出了优化模型的有效求解算法。最后,通过算例说明了该方法的正确性和有效性,研究结果表明,拓扑优化后柔顺机构可以按照预定的要求运动,其输出耦合现象得到了有效抑制。

基于并行策略的热固耦合多材料柔顺机构设计

热效应在结构设计领域受到广泛的重视,文中利用拓扑优化的方法,对热驱动柔顺机构设计进行了研究,提出了相应的基于并行策略的求解模型.该模型的核心是将一个复杂的多材料热固耦合问题离散成为单材料热固耦合子问题,然后对这些子问题并行求解,并根据整体目标的需要,对所有子问题的解进行调整以得到原始问题的解.对所有的单材料子问题,基于SIMP(固体各向同性材料惩罚模型)材料插值模型,建立了热固耦合拓扑优化求解模型,然后利用顺序耦合方法进行热-结构多物理场耦合分析,独立并行求解.该模型在理论和实践上都比较简单,可以处理任意多种材料,并且可以避免零碎的拓扑结构,因而有利于制造.文中还通过数值算例说明了此方法的有效性.

考虑减速机背隙的3-RRR并联机构的运动学标定

为了提高宏动并联平台的定位精度,推导了考虑减速机背隙的3-RRR并联机构误差模型,同时建立不考虑减速机背隙的误差模型用于对比,以验证该模型的有效性;通过实验测量末端平台位姿误差并分别辨识两个误差模型参数,根据距离反比法进行空间插值实现误差补偿并完成运动学标定.根据标定结果修正逆运动学模型,通过测量末端平台位姿误差分布可知,文中提出的考虑减速机背隙的误差模型优于不考虑减速机背隙的误差模型.文中提出的考虑减速机背隙的运动学标定提高了并联机构的定位精度,为该类并联机构用于高精密宏微结合提供了基础.

弹性连杆机构的非线性动力学特性分析

本文应用动力学虚功原理建立了计入几何非线性时弹性连杆机构一般形式的动力学有限元模型，该模型是具有周期性的时变非线性微分方程，针对方程的这一特点，文中给出了一种高效的闭式迭代求解方法。最后通过实例研究了几何非线性对弹性连杆机构动特性的影响，并通过实验研究验证了本文建模及求解方法的正确性。本文的研究结果对弹性机构的动态设计有指导意义。

计入几何非线性时弹性连杆机构通用动力学方程的建立

本文应用有限元法及虚位移原理建立了计入几何非线性时弹性连杆机构一般形式的动力学方程，该方程不仅适用于由简单构件组成的平面及空间连杆机构的弹性动力分析，对由复杂构件组成的这类机构也具有很好的适用性，本文推导结果为进一步研究某些非线性因素对机构动态特性的影响奠定了基础。

柔顺机构疲劳可靠性及损伤识别研究进展

柔顺机构靠弹性变形来传递运动或力,因而疲劳是其主要失效模式,但其疲劳性能以及抗疲劳设计方法仍有待进一步研究.文中结合笔者及其课题组的研究成果,介绍了柔顺机构的主要设计方法,在综述名义应力法、局部应力应变法和应力场强法3种疲劳寿命预测方法的基础上,阐述了直圆型和叶型柔性铰链的疲劳寿命预测模型及尺寸参数对铰链疲劳寿命的影响,总结了柔顺机构疲劳可靠性的分析和优化设计方法,以及基于特征参数分解的柔顺机构损伤识别方法,并指出了柔顺机构疲劳可靠性及损伤识别的未来研究方向.

弹性连杆机构低阶临界转速的识别

弹性连杆机构在某些特定的工作转速下会产生谐振现象,且这些转速与机构的基频相距甚远,这些转速统称为低阶临界转速。在产生谐振时,机构中各构件的动态应力、弹性变形以及各运动副的反力等都会明显增大。为了有效避免这种现象,首先需较准确地把握机构低阶临界转速的分布。为此,本文以 Floquet 理论为基础,给出了一种识别低阶临界转速的新方法,本方法与系统的广义坐标数没有直接联系,因而识别效率较高。最后,通过对一弹性六杆机构的分析,验证了本文方法的正确性。

基于视觉的三自由度微动平台输入耦合研究

为了提高精密微动平台的定位精度,提出了一种计算微动平台输入耦合位移系数的实验方法。构建显微视觉测量系统,以柔顺铰链式平面三自由度微动平台为研究对象,实时跟踪测量微动平台输入位移;对平台与图像之间的坐标系进行标定,有效提高了平台的输入位移和耦合位移的测量精度。实验表明,基于显微视觉的测量结果与Ansys模拟仿真结果相符,对微动平台的分析与设计具有一定的参考意义。