三自由度运动平台可视化设计研究与实现

传统的三自由度平台设计是一个串行设计过程,基于物理样机的设计与验证过程制约了产品开发的周期和效率。为快速高效地实现由概念设计到样机设计,提出将虚拟现实技术与三自由度运动平台的运动学分析、动力学分析、结构设计相结合,构建一个可视化设计平台,作用于机械设计、虚拟装配、运动可视化仿真,以及系统的动力学特性分析。推导了三自由度运动平台的运动学解析模型,就平台实现的关键技术,包括XML信息集成、运动可视化、VRML文件生成、基于动态特性分析的模型检验等,进行了研究探讨。

GPU加速的二维流体实时流动仿真

Stable Fluids是计算机图形学领域标准的流体仿真技术,但其存在一定的数值耗散.针对这一问题,将计算流体动力学领域(CFD)成熟的SMAC法移植到计算机图形学领域,结合CFD领域合理的边界条件处理及其相关技术进行二维流体的实时流动模拟.基于2种技术在可编程图形硬件(GPU)上进行Kárman漩涡以及叶轮机械叶片尾流等算例仿真,试验表明SMAC法具有更强的视觉真实感和物理真实感,是纯CFD技术的移植和加速,因而具有一定的工程价值;所采用的噪声纹理混合技术能够准确反映流体流动的物理细节,适用于计算机图形学领域,并可应用于矢量场的数据可视化.

复合单叶双曲面上广义Gough-Stewart并联机构加速度传感器各向同性优化设计

并联机构可作为六维加速度传感器的结构敏感元件,其各向同性特性直接影响测量精度及控制性能,然而满足标准Gough-Stewart并联机构加速度各向同性的负载物理上并不存在,为此提出基于广义Gough-Stewart并联机构的六维加速度传感器设计问题。通过引入具有最小结构几何参数描述集的复合单叶双曲面定义及描述,推导并建立数学描述封闭、解析的设计方法,证实广义Gough-Stewart并联机构加速度各向同性的存在性和可应用性。所提出的技术路线几何意义清晰,易于实现广义Gough-Stewart并联机构的构造及分类,是一种研制基于并联机构的六维加速度传感器结构构型的新方法。

基于加速度各向同性的空间光学仪器主动隔振Stewart平台设计

为保证高精度空间光学仪器的仪器精度,采用主动隔振Stewart平台作为多维振动隔离系统。基于加速度各向同性定义,考虑负载的质量几何特性,推导了加速度各向同性的解析数学表达式,揭示了各向同性、机构结构以及负载特性之间的联系,给出了柔顺中心的数学表达式以及各向同性Stewart平台的特征不变量。为降低系统非线性及耦合影响,提出以运动正交、加速度各向同性为指标的主动隔振Stewart平台设计,建立了生成一类加速度各向同性隔振Stewart平台的设计方法。

基于广义Stewart平台的精密跟瞄机构动态各向同性优化设计

设计一个各向同性、高精度、满足给定负载特性的Stewart并联机构,满足精密跟瞄机构的精密指向、振动隔离及抑制性能仍然是比较困难的,而且各向同性标准Stewart并联机构对负载的约束条件极为苛刻。为解决这一问题,提出具有容错特性的一类广义Stewart并联机构,定义动态各向同性概念及指标,考虑负载质量几何特性,推导了动态各向同性描述及条件的解析数学形式。将局部动态各向同性与全域工作空间灵活性好、满足运动能力和无构件干涉等目标相综合,建立了精密跟瞄广义Stewart并联机构的优化设计方法。结果表明广义Stewart并联机构能够放松各向同性时对负载的条件约束,设计方法优化并具有工程应用价值。

面向飞行模拟的云仿真及其实时绘制

改进并建立了云光照模型,引入了大气密度与海拔高度间的关系,并基于粒子尺度对散射相函数进行加权以提高仿真精度。针对飞行模拟的静态/动态云绘制,提出了基于粒子系统和Texture Sprites实现云谱交互建模的有效方法。为达到实时绘制,采用动态生成Impostor技术和GPU加速仿真及实时绘制。将本文提出的粒子云绘制技术集成于飞行模拟器的视景系统,能够增强虚拟环境的真实感、沉浸感,并满足限时系统的交互要求。

基于六自由度并联机器人的运动仿真可视化系统

对运动可视化仿真系统的开发流程作了相应论述。基于动态虚拟装配的机理,给出了几何建模和VRML原型封装的方法,并运用Java技术实现了六自由度并联机器人的运动可视化;运用Labview嵌入Cortona(VRML浏览器)ActiveX组件,开发了集在线动画、轨迹规划控制、数据回放以及运动学分析功能于一体的运动仿真可视化系统。

BCF仿生鱼游动机理的研究进展及关键技术分析

目前,仿生学者已经注意到身体/尾鳍摆动(Body and/or caudal fin,BCF)鱼类快速、高效的游动性能并制作多种基于生物原型的仿生机器鱼,但是,所研制的机器鱼样机性能与鱼类性能存在着较大的差距,这又进一步地促进了柔性鱼类快速高效游动机理的研究。从柔性鱼体游动过程中的机械特性和流场特性两方面出发,介绍国内外在BCF柔性鱼类游动机理方面的主要研究进展,重点讨论鱼类游动机理的变阻抗驱动和涡流控制两项关键技术。通过对鱼类游动机理研究成果的分析和总结,探讨柔性机器鱼研究的发展趋势。总的来说,随着BCF柔性鱼类游动机理研究的不断深入,仿生学科的交叉理论研究将得到进一步发展,仿生机器鱼与生物原型之间游动性能的差距也必将逐渐缩小,实际应用前景较为广阔。

液压驱动冗余振动台自由度控制及内力协调

振动台是一种对高层建筑、大型桥梁和基础设施等大型结构进行抗震性能试验的重要设备。为了提高振动台有效载荷,以便进行大尺寸或全尺寸结构试验,振动台通常采用液压驱动冗余并联机构。首先根据液压驱动冗余振动台机液作用机理,建立了冗余振动台的整体机液动力学模型,并提出一种适用于液压驱动冗余振动台的自由度控制结构。之后,针对冗余驱动内力耦合问题,采用基于雅克比矩阵伪逆的内力协调控制方法,协调控制各激振器间的出力,减少各个激振器间的内力耦合。最后,通过仿真分析,验证了所提出的自由度控制和内力协调控制的有效性。

液压驱动六足机器人步行腿性能

针对所设计的一种基于液压驱动的六足机器人步行腿,建立了腿部运动学模型并分析了其足端运动空间。构建了腿部性能测试系统,设计了性能测试台控制系统硬件,并开发了运动测试软件。试验结果表明:腿部单关节的运动跟踪误差和关节协调运动跟踪误差均小于1°,关节动态特性满足频率0.5Hz时幅值衰减小于-3dB,验证了步行腿性能能够满足六足机器人的运动需求。

变结构力控制方法在油气悬架加载系统中的应用

针对油气悬架的非线性和不确定性特性采取变结构的控制方法,选取含有位置、速度和加速度状态的滑模函数,利用指数趋近方式,使系统能够快速地稳定于平衡位置。基于Lyapunov稳定理论,设计了参数摄动和不确定量两种非线性环节的自适应律,结合自适应控制方式减小了滑模带的宽度,从而减小由于开关控制而引起的系统振动。通过仿真分析和实验验证了负载刚度变化时,变结构滑模力加载控制对比常规PID控制的优势,为具有状态反馈的力加载控制系统提供了实用的控制方法。

考虑被动关节阻尼的液压驱动Stewart平台模态空间控制策略

针对工业应用中并联机构采用常规铰接形式导致的系统过阻尼问题,提出了带动压正反馈的模态空间控制器,该控制器将物理空间内强耦合的多输入多输出系统转化为模态空间内解耦的6个相互独立的单输入单输出系统,运用动压正反馈技术实现对存在过阻尼特性自由度的独立调节,从而将各自由度频宽扩展至固有频率附近.文中首先运用模态解耦理论分析了被动关节阻尼对液压驱动Stewart平台控制特性的影响,随后给出了带动压反馈的模态空间控制器结构及设计方法,最后对该方法进行了实验验证.试验结果表明,该模态空间控制器能够有效扩展系统频宽,从而实现降低系统各自由度耦合影响、提高响应速度的目的.

基于复合单叶双曲面的广义Stewart平台全局动态各向同性优化设计

标准Stewart平台对负载的苛刻要求使其无法实现完全动态各向同性,而基于复合单叶双曲面的广义Stewart平台以解析形式给出了其满足局部完全动态各向同性的参数约束条件,打破了对负载特性的限制.为进一步衡量广义Stewart平台在大运动范围下的模态频率特性,文中基于模态分析理论,提出了一种新的全局动态各向同性指标;以此为优化目标,以局部完全动态各向同性解析条件为约束,提出了满足局部完全动态各向同性且在全域工作空间内具有最优全局动态各向同性的结构优化方法.设计实例表明,该方法为大运动范围Stewart并联平台的设计提供了新路线.

重载足式机器人单关节驱动系统H_∞控制器的设计

针对某节能型重载足式机器人单关节电液伺服驱动系统动态跟踪问题,对重载足式机器人节能型单关节电液伺服驱动系统特性、H_∞控制等方面进行了研究,建立了系统数学模型,提出了采用扩展H_∞混合灵敏度控制,引入了转换环节,将实际对象虚轴极点转换到传递函数或控制器中,解决了因单关节电液伺服驱动系统传递函数分母存在积分环节引起的奇异H_∞问题。通过采用扩展H_∞混合灵敏度三块加权函数法求解H_∞控制器,选择适当的加权函数,基于Matlab/Robust工具箱,设计了扩展H_∞混合灵敏度控制器,基于Matlab/Simulink平台搭建了系统仿真模型,对扩展H_∞控制的单关节电液伺服驱动系统动态跟踪特性及其系统稳定性进行了评价。仿真实验结果表明,H_∞控制系统满足鲁棒性及鲁棒性能要求,控制系统动态响应满足2 Hz正弦信号双十指标要求。

EOS 3D测量青少年特发性脊柱侧凸患者冠、矢状面参数的可信度及可重复性

背景:EOS全身影像系统在骨科疾病尤其是脊柱畸形的诊治中得到广泛应用,但仍未取代常规放射技术。目的:与常规2D测量对比,探讨EOS 3D测量青少年特发性脊柱侧凸(AIS)患者冠、矢状面参数的可信度及可重复性。方法:回顾性分析于2018年1月至2019年1月间收治的30例AIS患者的影像学资料。两位医师同时进行常规2D和EOS3D测量,1周后分别重复测量1次。记录每次测量所需要的时间和相关参数,并进行比较。采用一致性检验研究测量数据的可信度和可重复性,计算组内相关系数与组间相关系数。结果:每例患者常规2D测量平均时间为(7±3)min,EOS 3D测量平均时间为(22±7)min。无论是常规2D测量,还是EOS 3D测量,同一测量者两次测量结果差异均无统计学意义。常规2D测量时,不同测量者间测量的L1~5腰前凸、PT差异有统计学意义(t=4.98,P=0.015;t=4.01,P=0.002),而其余指标差异无统计学意义;EOS 3D测量时,不同测量者间测量数据差异均无统计学意义。EOS 3D测量Cobb角的组内及组间测量误差均小于常规2D测量,且差异均有统计学意义(t=5.03,P<0.001;t=2.61,P=0.014;t=9.23,P=0.013)。对于常规2D测量,测量者1组内一致性为中等至好,测量者2组内一致性好,组间一致性为中等。对于EOS3D测量,测量者1组内一致性为好至极佳,测量者2组内一致性极佳,组间一致性为极佳。常规2D与EOS 3D测量结果组间一致性好。结论:在AIS患者冠、矢状面参数测量中,常规2D测量可信度及可重复性较低。EOS 3D测量具有较高的可信度和可重复性,但需专业技术人员培训,且测量时间成本较高。两者各有利弊,医师可以根据患者的病情需要以及医院的硬件设施条件选择合适的成像方法。

利用EOS X线影像系统评估前交叉韧带损伤患者的胫骨平台后倾角

目的探讨利用EOS X线影像系统评估前交叉韧带(ACL)损伤患者的胫骨平台后倾角(PTS)的方法以及PTS与性别的相关性。方法回顾分析2019年1月至7月于北京积水潭医院因ACL损伤接受EOS X线影像系统下肢全长X线检查的患者38例的临床资料。其中男29例,女9例,平均年龄27.6(14~47)岁。利用下肢全长X线像测量患者PTS。对患者患侧和健侧PTS以及不同性别患者PTS进行比较。采用SPSS 22.0软件对数据进行统计学处理。结果38例患者患侧和健侧PTS分别为15.47°±3.92°和14.10°±3.43°,差异有统计学意义(P=0.002)。男性与女性患者PTS差异无统计学意义(P>0.05)。结论利用EOS X线影像系统摄取的站立位下肢全长侧位像可用于评估ACL损伤患者的PTS;患者患侧PTS大于健侧;PTS大小与性别无关。

基于单叶双曲面的标准Stewart并联结构六维力传感器各向同性优化设计

基于Stewart并联结构六维力/力矩传感器在空间六维力的准确检测上具有广泛前景,设计低耦合、高精度、易于标定和使用的六维力/力矩传感器是其结构设计的关键问题。传统Stewart并联结构几何参数描述为6个相互耦合的变量,不利于实现设计参数与设计指标的解耦,而且非正交条件下的各向同性使得六维力/力矩传感器仍存在耦合,为此提出基于单叶双曲面定义并构造Stewart并联结构,将最小结构参数描述集元素数量减至3个,利用解析的静态数学模型推导满足传感器正向和逆向的力/力矩各向同性的条件,以得到二者相互制约的关系,给出解耦中心数学表达式。通过综合各个性能指标,提出了优化设计方法,给出了构造一类各向同性的Stewart并联结构六维力/力矩传感器的新方法,为该类传感器设计提供了新路线。

基于复合单叶双曲面的广义Gough-Stewart结构六维力传感器各向同性优化设计

六维力传感器力敏元件的结构设计是实现低耦合、高精度性能的关键,标准Gough-Stewart结构六维力传感器力各向同性度的最佳值为0.707,其力各向同性的本质不可达特性直接影响测量精度。为此采用广义Gough-Stewart结构设计六维力传感器,通过具有最小结构参数描述集的复合单叶双曲面描述定义、分析力各向同性问题,推导了封闭、解析的数学描述,证明了其力各向同性的可达性,提出了满足力测量中心位置需求的力各向同性空间六维力传感器Gough-Stewart并联结构设计方法。研究表明所提出的设计和综合方法不仅是一种构造一类力各向同性广义GoughStewart结构六维力传感器的新方法,还是一种并联机构构型综合的新方法。

使用EOS影像系统评价Lenke 5型青少年特发性脊柱侧凸的手术矫形效果

目的使用EOS影像模拟三维重建方法评价后路悬臂梁联合直接椎体去旋转技术治疗Lenke 5型青少年特发性脊柱侧凸(adolescent idiopathic scoliosis,AIS)的畸形矫正效果。方法采用回顾性研究方法,选取2018年3月至2019年2月在我院治疗的16例AIS Lenke 5型患者,其中男1例,女15例,平均年龄(15.25±1.67)岁。在后路手术中,采用悬臂梁联合直接椎体去旋转的方法矫正畸形。对比术前及末次随访时临床及影像学指标。临床观察指标包括躯干倾斜角angle of trunk rotation,ATR)和脊柱侧凸学会-22r评分scoliosis research society-22r score,SRS-22r)。使用EOS评价影像学指标,包括冠状位[腰弯Cobb’s角、顶椎偏移距离apical vertebral translation,AVT)]、矢状位[胸椎后凸thoracic kyphosis,TK)、腰椎前凸lumbar lordosis,LL)]和轴位参数[顶椎旋转角apical vertebral rotation,AVR)]。结果本组平均随访15.67±3.01)个月。术前及末次随访ATR[(15.75±5.92)° vs.(5.13±1.46)°,P=0.002]、腰弯Cobb’s角[(41.25±7.00)° vs.(12.45±5.85)°,P < 0.001]、AVT[(4.49±1.30)cm vs.(1.15±0.65)cm,P < 0.001]、AVR[(20.44±4.42)° vs.(7.75±4.62)°,P < 0.001)]差异有统计学意义。以上参数矫正率进行 Pearson 相关分析,Cobb’s 角矫正率分别与 AVT 和 ATR 矫正率有统计学相关性r=0.729,P=0.040;r=0.706,P=0.050)。SRS-22r评分中,患者在自我形象方面评分有显著提高[(3.53±0.72)vs.(4.40±0.37),P=0.025]。结论 EOS影像系统可以准确地评估AIS患者椎体的旋转程度,进而有效地评价后路悬臂梁联合直接椎体去旋转技术治疗AIS Lenke 5型患者的影像学效果。此外,Lenke 5型 AIS 患者的冠状面侧凸矫正率与大体外观躯干倾斜改善率呈正相关。