受海龟爬行与山羊行走启发的四足仿生移动机器人多步态规划及动力学分析

为解决救援机器人运动速度慢、环境适应性差和步态单一等问题,参照海龟与山羊的生理结构,设计了一种四足仿生移动机器人。首先,根据海龟能在松软地面上爬行以及山羊运动能力强的特点,为机器人规划了仿海龟爬行和仿山羊行走两种步态以适应不同环境,提高了机器人的运动性能。然后,对机器人支腿进行了动力学分析,通过建立动力学模型来获取机器人关节扭矩与运动性能参数之间的定量关系。最后,通过仿真和样机实验来验证机器人步态的可行性以及机器人的环境适应能力。结果表明,所设计的机器人结构稳定,步态规划合理,可适应不同的复杂地形。研究结果可为仿生机器人的设计与开发提供重要参考。

两栖仿海龟机器人步态规划及分析

针对清淤机器人移动困难、稳定性差等问题,参考海龟的身体结构和爬行动作,设计出了一种两栖仿海龟机器人。在介绍机器人结构的基础上,利用D-H方法对机器人进行运动学分析,建立并求解了支腿的变换矩阵和运动学方程;规划了两种仿海龟爬行步态,根据机器人结构规划了电推缸的行程空间,并对足端轨迹和爬行步态做以优化;在ADAMS中进行运动仿真,分析了机体的位移和速度变化曲线。结果表明,优化后的步态可以大大提高机器人的爬行速度和稳定性。

两栖仿海龟机器人动力学建模与运动控制研究

为了提高两栖仿海龟机器人行走的稳定性,对其进行动力学建模,并基于PID (proportional integral derivative,比例积分微分)反馈控制策略提出了一种力/位控制模型。首先,根据机器人的运动学模型,得到了支腿的变换矩阵和雅可比矩阵,并利用虚功原理建立了足端与液压缸之间的力传递模型。然后,利用拉格朗日法对机器人进行动力学建模,推导了支腿的动力学方程,同时进行了动力学仿真,并将实时的足端受力导入动力学方程进行计算,验证了动力学模型的正确性。最后,搭建了液压仿真模型,并在ADAMS-AMESim-MATLAB联合仿真环境中开展了机器人运动仿真。仿真结果显示:与纯位置控制模式相比,力/位控制模式下机器人膝关节的转动更加平稳,液压缸的动力输出更稳定且功耗更小。研究结果对提高机器人运动的稳定性、增强运动控制系统的鲁棒性和提高液压系统的总效率具有借鉴意义。

基于CFD的两栖式清淤机器人水动力特性研究

针对某两栖式清淤机器人,基于计算流体力学(computationalfluid dynamics,CFD)分析其静浮态和航行阻力。采用重叠网格方法计算静浮态下的吃水深度和纵倾角;分别采用静态网格方法和重叠网格方法预测两栖式清淤机器人静水直航工况的航行阻力,并对这两种方法进行对比。研究结果表明:采用重叠网格的方法可以有效计算两栖式清淤机器人静浮态下的吃水深度和纵倾角;静态网格方法和重叠网格方法均能有效预测两栖式清淤机器人水上航行阻力,静态网格方法计算效率高,但仅适用于航速较低的工况,而重叠网格方法适用于不同航速下的航行阻力预测,但计算效率较低。研究结果对两栖式清淤机器人的设计及改进有较大参考价值。

光伏阵列清洁机器人路径跟踪改进型自抗扰控制

针对光伏阵列清洁机器人清洁作业过程中存在路径跟踪精度低与外界不确定干扰等问题,提出了一种改进型自抗扰控制策略来控制驱动单元模型,实现驱动单元角速度(力矩)的高鲁棒性控制,从而提高了机器人的路径跟踪精度.通过分析机器人的运动状态,得到清洁机器人实际运动位姿与期望运动位姿之间的误差.由于外界环境以及其他不确定因素的干扰,通过建立清洁机器人移动底盘带不确定干扰因素的动力学控制模型,在传统自抗扰控制器的基础上通过改进fal函数,提出了一种运动学与动力学内外嵌套的改进型自抗扰策略.改进型扩张状态观测器来实时观测并补偿不确定干扰因素,从而实现清洁机器人高精度跟踪作业目标路径.通过多种目标路径的跟踪仿真实验,最终都表现出了较好的跟踪结果.证明了本文所设计的基于改进型自抗扰控制的光伏阵列清洁机器人路径跟踪控制算法的优越性与有效性,提高了光伏阵列清洁机器人的清洁作业路径跟踪精度.

以“卓越工程师教育培养计划”促进“液压与气压传动”课程教学改革实践

就适应"卓越工程师教育培养计划"培养高质量工程技术人才的要求,针对新的专业课程体系和学时数减少的情况,西安理工大学围绕《液压与气压传动》课程,根据长期的教学实践从教学方法、实践教学环节和教学考核等方面进行了改革,以学生能力成长为核心,运用现代化的教学手段改革教学模式和方法,构建技能训练与研究能力培养相结合的教学内容和实验训练,多元化的新型考核评价体系,激发学生的求知欲,促进学生创新意识和实践能力提高。

轿车柴油机用EGR冷却器内部温度场分析

针对某型轿车用柴油发动机EGR冷却器,建立了冷却水通道和废气通道两种计算模型,运用CFD数值模拟方法分析了EGR冷却器内部温度场的分布。研究结果表明,冷却水入口结构、废气通道内翅片均对温度场分布产生了不同程度的影响,从而影响EGR冷却器的传热效率。

基于BP神经网络的光伏阵列清洁机械臂逆运动学分析与时间最短运动规划

针对光伏阵列积灰效应带来的光电转换效率下降问题,依据中国西北地区安装地形特点和清洁作业环境设计一款车载式光伏阵列清洁机器人。清洁机械臂逆运动学分析是末端清洁器轨迹规划的难点,针对解析法求解逆运动学方法复杂且得不到最优解,提出基于BP神经网络求解机械臂逆运动学的方法,建立BP神经网络模型并利用Matlab进行仿真验证。为了提高光伏阵列清洁效率,针对清洁机械臂点到点运动的时间最优问题进行时间最短运动规划。利用五次多项式插值法对机械臂各个关节变量在关节空间坐标系中进行路径拟合,并利用遗传算法对清洁机械臂运动时间进行优化。最终根据优化结果对机械臂进行轨迹规划仿真。结果表明,建立的机械臂运动学模型及使用的BP神经网络求解清洁机械臂逆运动学方法符合清洁机械臂时间最优运动规划,提高了光伏阵列清洁效率,在一定程度上为光伏阵列清洁机器人机械臂提供了时间最优控制规划。

基于改进型自抗扰控制的光伏板清洁机器人路径跟踪控制研究

针对移动式光伏板清洁机器人在清洁作业过程中存在路径跟踪不稳定、低精度等问题,通过分析机器人的运动状态,建立了光伏板清洁机器人路径偏差系统的非线性数学模型,并采用小偏差线性化处理将该系统简化为一个等效的SISO(Single Input Single Output)系统。在传统自抗扰控制理论的基础上,通过改进扩张状态观测器提出一种改进型光伏板清洁机器人自抗扰路径跟踪控制策略。利用MATLAB搭建仿真环境,并进行光伏板清洁机器人路径跟踪仿真实验。结果表明:与传统的自抗扰控制理论相比,改进型控制策略能够减小机器人路径跟踪的运行误差,具有较好的稳定性。一定程度上提高了光伏板清洁机器人路径跟踪的控制精度。

轮-履-腿复合仿生机器人步态规划及越障性能分析

为了提高移动机器人的越障性能,实现其自主越障,设计了一种轮-履-腿复合仿生机器人,并对其进行步态规划和越障性能分析。首先,以海龟为仿生对象,通过分析其身体结构和稳定机理,设计了机器人的轮-履-腿复合式移动机构和二自由度支腿结构;同时,基于该机器人的结构特征,利用D-H(Denavit-Hartenberg)法建立了坐标系并求解了其支腿的运动学方程。然后,通过观察海龟的爬行过程,将其单个爬行步态周期内的动作分解成放腿、爬行、抬腿和摆腿,并结合运动学模型对机器人进行步态规划,提出了4种仿海龟爬行步态。接着,以机器人的四腿爬行步态为例,利用静力学方法分析了其支腿关节的受力情况,而后通过分析机器人跨越壕沟和攀越台阶的过程,以最大跨越壕沟宽度和攀越台阶高度为指标对其越障性能进行了评价。最后,制作了机器人实验样机,开展了步态实验和越障实验。实验结果表明,该机器人可以利用4种仿海龟爬行步态实现横向移动、纵向移动和原地旋转,且具有很好的越障性能和稳定性;机器人能跨越最大宽度为434 mm的壕沟,攀越最大高度为175 mm的台阶。实验结果进一步验证了所设计的仿海龟机械结构可行,所规划的仿海龟爬行步态合理,以及所建立的越障理论模型正确。研究结果可为移动机器人的结构优化和越障性能提升提供借鉴。

全轮转向移动底盘设计及运动控制研究

为实现轮式移动机器人灵活运动的同时提升其环境适应能力,本文提出一种移动底盘结构,采用双功率差速系统实现不同模式动力的分配;采用特殊结构完成四轮独立转向,使底盘转向更加轻松,并实现了转向过程的纯滚动;采用平衡摇臂调整机构来调整底盘摆臂与本体的运动,利用摆臂转动来实现对起伏路面的自适应,加强了底盘的越障能力;分析了移动底盘原理,据此设计对应控制策略,在此基础上加入偏差耦合控制模块,提高多电机转向时的同步协调性能,利用MATLAB仿真验证了控制模块所起到的作用,并对实验样机及控制系统进行了搭建与测试。测试结果表明,本文所提出的结构原理正确可行,底盘越障能力较强,在野外环境也有很强的适应能力。

基于变位齿轮的轮履复合变形轮结构设计与越障能力分析

针对复杂地面约束的特点,结合履带车辆与轮式车辆各自的运动特点与优势,提出了一种可在轮式与履带式之间相互转化的新型轮履复合变形车轮结构方案。该变形轮可根据不同的地面特点,通过自我形态的改变以实现轮式与履带式之间的切换。分析了轮履复合车轮的工作原理,应用数学推导对各构件进行参数化建模,并利用遗传算法,求解出变形轮各构件的参数对履带长度的相对变化量影响的最优解。对搭载了此变形轮的底盘在不同运动模式下的越障性能进行理论分析,结果表明与轮式运动模式对比履带式运动模式的越障性能更加优越。同时利用多体动力学分析软件ADAMS对机构参数的合理性进行检验;并进一步对轮履复合底盘车辆在坡路、壕沟及台阶等障碍路面进行了仿真分析,检验了其越障性能。仿真结果表明该轮履复合车轮可以通过自我形态的变化来实现履带式与轮式的转化,同时具备高的机动性与高的越障性。

FSAE赛车发动机进排气系统优化设计

为提高FSAE(Formula SAE)赛车的性能,对其发动机进排气系统进行数值仿真,获得优化设计方案。利用FLUENT对限流阀流场进行计算,得到流量损失最小的入口和出口锥角。运用GT-Power软件建立发动机仿真分析模型,通过实测外特性曲线比对验证模型的准确性;以发动机进排气系统结构尺寸作为单一变量,分析发动机进排气歧管几何参数对发动机动力性能的影响规律,根据所得参数提出优化设计方案。通过对比分析可知优化后发动机的功率、最大扭矩均有较大的提升,同时峰值扭矩的输出转速区域加宽,输出更加平稳,最大扭矩增加11.6%。另外,峰值功率对应的转速点向高转速移动,弥补了安装进气限流阀对发动机动力性能下降的影响,达到了设计要求。

一种摆臂式移动底盘设计及其越障分析

针对提升轮式移动底盘越障能力的同时会增大结构复杂程度的问题,文中提出一种相对简单的摆臂轮式移动底盘结构方案,通过两侧摆臂绕中间传动轴的转动,底盘在一定程度内可实现地面自适应,有效提升了底盘越障性能。从几何角度分析了底盘在自适应条件下所能通过的障碍物高度与机械限位间的关系,并用ADAMS软件对所设计结构进行仿真,对比分析了摆臂式底盘相比于普通底盘在单侧越障中的优越性能。搭建了摆臂式底盘样机并进行单侧越障测试,测试结果表明所提出结构原理正确可行,对底盘越障性能有良好的提升效果。

弹性基础梁弯曲问题有限元解析与直接边界元法解析的研究

对有限元解析方法和直接边界元解析方法开展了相关研究工作,基于弹性基础梁弯曲问题的静态特性的解析公式,通过ANSYS程序验证实例正确性。

圆光栅闭环反馈回转关节高精度补偿方法研究

从提高位置精度出发,采用了基于圆光栅全闭环反馈的回转关节控制方案。在分析传统运动精度补偿方法的基础上,结合激光干涉仪回转轴校准系统对位置精度的检测结果,建立了一种综合考虑大周期误差及小周期误差的三次封闭样条与三角函数相叠加的回转运动误差补偿模型,从而使定点误差测量结果能够应用到整个行程区间的准确补偿。在兼顾精度和效率的基础上提出了相应的无累积误差的补偿算法以提高误差补偿精度并进行了实验,使补偿后的残留误差标准差减小了47.4%,表明该方法可有效提高回转关节位置精度。

直驱泵控电液伺服泄露补偿保压方法研究

为解决传统阀控或变量泵保压系统在工程应用中因温升高、结构复杂而带来的对油液污染敏感、保压精度差、效率低等问题,在分析永磁同步交流伺服电机调速性能和效率的基础上,结合齿轮泵结构简单、可靠性高的特点,提出了一种直驱泵控电液伺服泄漏补偿保压方法。系统保压时,根据流量连续性方程,使齿轮泵输出流量仅补偿回转液压缸泄漏量。该系统较传统保压系统结构简单、可靠性高且实现了节能。通过齿轮泵实际流量实验以及回转液压缸泄漏实验得到齿轮泵转速和系统保压压力之间的数学关系,建立系统保压数学模型,通过系统阶跃响应实验分析了该系统的动态性能。实验结果表明,该系统的输出能很好地跟随输入,满足系统保压性能要求。

基于MECT软件包的DMIS软件接口设计

论述了基于MECT软件包的DMIS标准化的软件接口设计。该软件接口通过面向对象编程技术可实现DMIS格式数据与MECT软件包的动态数据通信,完成DMIS程序控制下的自动化测量。提供了一个对现有坐标测量软件进行升级使之符合DMIS规范的实例,对尺寸测量软件的DMIS标准化具有很好的借鉴意义。

基于多目标优化的柴油机EGR率决策方法研究

EGR率的选择是一个多目标优化的问题,以往对于EGR率的选择通常是基于经验和大量试验的基础上,针对不同的目的进行优化。然而这种方法需要丰富的经验支持,且依赖主观判断,缺乏客观性。多目标优化方法的应用可以解决这样的问题,本文采用多目标灰色局势决策方法和Pareto前沿分析方法分别对EGR率进行了优化,并对结果进行了比较。结果表明,受到EGR率对发动机NOx排放抑制效果的影响,多目标灰色局势决策的结果会更偏向对此性能的优化,而Pareto前沿分析可以根据非劣解灵敏比的偏向度,可以获得偏离各优化目标最小的解,分析结果也能较为符合决策目的。

发动机冷却风扇叶顶间隙区域泄漏流动的数值分析

针对发动机冷却风扇叶顶间隙区域泄漏的复杂流动和间隙气流对气动性能影响的问题,采用数值分析法研究了导流罩和导流环相对运动和静止对叶顶间隙区域流动的影响、设计工况下间隙区域的压力分布及泄漏涡流的流动特征。采用流场可视化方法测出发动机冷却风扇叶顶间隙区域的流速分布,验证了计算流体力学数值仿真结果的正确性。研究结果表明:随着工作静压的降低,当叶顶间隙区域存在的高速泄漏射流流速与导流环壁面气流周向速度的流速差较大时,由于粘性力的作用,气流流向发生改变,泄漏量明显减小。