基于外力矩观测器的机器人碰撞检测

碰撞检测技术可以降低设备损坏和人身伤害的几率,在现代化的人机协作生产中起着重要的作用。实现免外力矩传感器的碰撞检测需要准确地估计工业机器人受到碰撞时的关节外力矩。然而,动力学模型的参数辨识误差以及电机电流的测量误差等因素会影响外力矩估计的准确性。为了解决这些问题,本文设计了一种扰动卡尔曼滤波外力矩观测器。该观测器基于扰动原理将外部碰撞等效的外力矩作为扰动项,并定义关节扰动模型。同时,引入机器人的广义动量构建状态空间方程。考虑到动力学模型的参数辨识以及电机电流的测量存在误差,基于卡尔曼滤波算法进行迭代估计,从而得到最优的外力矩观测值。为了提高碰撞检测的灵敏度,本文提出了一种随关节速度变化的时变对称阈值函数,用于实现碰撞检测。该方法可以根据关节速度的变化调整阈值,以适应不同工作速度下的外力矩观测值。实验结果表明,与广义动量观测器相比,所提出的观测器在外力矩估计的整体精度上提高了52.03%。为了验证所提方法的有效性,本文利用6自由度串联关节型工业机器人进行了碰撞检测实验。实验结果显示,相比于静态阈值,采用时变阈值的方法缩短了58.06%的检测延时,从而可以提高碰撞检测的灵敏度,更有利于工业机器人的安全操作和碰撞防护。

开关柜合格性检验的力矩奇异性特征分析方法

面向开关柜的合格性检验,提出一种基于力矩信号奇异性分析的检验算法。根据开关柜的合格性与力矩信号的奇异性特征的相关性,提出将力矩信号的12个统计学特征通过Fisher判别法压缩至5个,并将由该特征组成的样本集输入至SVM分类器中训练出能判别开关柜合格性的SVM模型。最后对所提算法进行了实验验证,结果表明所提算法对开关柜的合格性检验的识别率达100%,延迟在30ms以内,所识别点均落在设定区域内。阻尼干扰下,与小波变换理论算法相比,在兼顾快速响应的同时鲁棒性更好,且不需要大量的训练样本和训练时间。

焦亡相关炎症因子与痛风性关节炎疾病活动度的相关性研究

目的分析焦亡相关炎症因子在痛风性关节炎(gouty arthritis,GA)患者不同病程中的表达水平,探讨细胞焦亡是否参与GA的病理生理过程。方法收集2022年6月至2023年6月就诊于中日友好医院风湿免疫科50例急性痛风性关节炎(acute gouty arthritis,AGA)患者(AGA组)和50例健康体检者(健康对照组)的外周静脉血样本,分别检测两组患者血清生化指标、血常规指标及焦亡相关炎症因子如C反应蛋白(C-reactive protein,CRP)、白介素(interleukin,IL)-1β、IL-18的表达水平;蛋白免疫印迹法检测尿酸钠结晶刺激的THP-1细胞中焦亡相关蛋白水平变化。采用SPSS统计学软件对受试者的尿酸水平、疾病活动度等指标进行统计分析。结果与健康对照组相比,AGA组患者外周血血清尿酸(uric acid,UA)、白细胞、CRP、IL-1β、IL-18、IL-6、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、Ca^(2+)水平显著升高,Mg^(2+)水平显著降低,差异具有统计学意义(P<0.05);AGA组急性发作期UA、白细胞、CRP、IL-1β、IL-18、IL-6、TNF-α、Ca^(2+)和数字分级评分法(numerical rating scale,NRS)评分显著高于缓解期,Mg^(2+)水平显著降低(P<0.05);NRS评分与血清IL-1β、IL-8、IL-18水平呈正相关(P<0.05)。尿酸钠结晶刺激的THP-1细胞中焦亡相关功能蛋白表达水平显著高于无特殊处理的THP-1细胞。结论GA患者焦亡相关炎症因子水平高于健康对照者,且GA急性期焦亡相关炎症因子水平高于GA缓解期,提示细胞焦亡可能参与了GA的免疫炎性反应。

纳米弱晶态生物煅烧骨修复材料的制备及其性能研究

目的:通过制备一种纳米弱晶态生物煅烧骨修复材料,与国内同类产品对比,研究材料的微观结构对成骨性能的影响,探讨用于临床的可行性。方法:通过脱脂、去蛋白以及煅烧等工序制备煅烧骨修复材料,并研究材料的成分、结构、生物相容性;通过与市场上的天然煅烧骨修复材料进行对比,研究其二者理化性能的差异,以及差异对成骨性能和安全性的影响。结果:制备的生物煅烧骨修复材料和天然煅烧骨修复材料的主要成分均为弱结晶态的羟基磷灰石,晶体尺寸均为纳米级,孔径范围和分布基本一致,生物煅烧骨修复材料的比表面积为91.96 m2/g,长针状晶型,天然煅烧骨修复材料的比表面积为52.51 m2/g,圆形晶型,生物煅烧骨修复材料较天然煅烧骨修复材料保留了更多的碳酸盐;生物学试验结果显示生物煅烧骨修复材料具有良好的生物相容性,动物试验结果显示生物煅烧骨修复材料和天然煅烧骨修复材料都能够有效抑制拔牙后的牙槽骨萎缩以及促进骨组织的修复,二者无统计学差异。结论:生物煅烧骨修复材料为一种纳米弱晶态的骨修复材料,保留骨组织无机盐的成分和结构,具有良好的生物相容性,在比格犬动物试验中,能够有效抑制牙槽骨萎缩,促进骨组织修复,有望用于临床。

基于原型网络的聚类式联邦学习

聚类式联邦学习利用数据分布的差异对用户群体进行聚类,实现个性化的联邦模型训练,可以有效解决联邦学习中的特征分布异构问题.本文针对现有方法通信复杂度较高,难以适用于类别分布异构与小数据场景等问题,基于元学习方法中的原型网络模型提出了一种迭代聚类式联邦学习框架.本文从期望最大化算法的角度出发,利用类原型信息构建用户嵌入表示,并基于此提出用于度量用户与聚类簇之间差异性的模型距离.该迭代式框架交替地执行用户聚类与局部更新以优化全局目标函数.由于新的模型距离可以在服务器端被计算,该框架在每一轮通信中有着近似于FedAvg算法的通信代价.相关实验结果表明了本文提出的方法对于聚类式联邦学习问题,特别是在类别分布异构与小样本数据场景的有效性.

不出筋密拼接预制剪力墙受弯性能试验研究

对6个不出筋密拼接预制剪力墙足尺试件进行拟静力试验,分析了轴压比和边缘构件纵筋配筋率对不出筋密拼接预制剪力墙受弯承载力的影响。结果表明:不出筋密拼接预制剪力墙试件破坏损伤区域主要集中在竖向插筋孔和纵向凹槽壁处;试验轴压比为0.20~0.30时,墙体受弯承载力和刚度随轴压比增大而提高,轴压比较大时,提高幅度明显减小;边缘构件纵筋配筋率在1.16%~2.36%时,随着配筋率增大,墙体承载力和初始刚度提高,刚度退化速度加快,延性降低。可通过JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中现浇钢筋混凝土剪力墙受弯承载力公式进行受弯承载力计算,计算结果偏安全。

基于改进SSD的工件定位算法

工业机器人完成工件的拾取、分拣与装配等任务,需要获得准确的位置信息。而目标检测算法的回归损失函数的设定会直接影响预测框的定位准确性。针对SSD原始回归损失函数忽略4个边界信息的相关性及与评价指标IoU变化不匹配等问题,提出了一种基于改进SSD的工件定位算法。所提算法以高效交并比(EIoU)为SSD的回归损失函数,将4个边界信息作为一个整体,并添加了中心点损失和边长损失2个惩罚项分别表征预测框与真实框的中心点相对距离和边长差异,解决了边框回归不准确的问题。实验结果表明:所提算法能把定位平均误差控制在0.18 mm以内,误差峰值控制在0.76 mm以内。所提算法能有效提高工件的定位精度,适用于不同类型的工件或其他类似的定位任务,具有良好的工业应用前景。

年轻勃起功能障碍患者与心血管疾病危险因素的相关性分析

目的 探讨血生化指标中心血管疾病(CVD)的危险因素与年轻(20~40岁)勃起功能障碍(ED)患者之间的关系。方法 选取2019年10月至2020年2月中日友好医院收治的85例20~40岁ED患者作为研究对象,设为ED组。另选取同期340例20~40岁勃起功能正常男性作为对照组。检测两组的血生化指标,包括血糖(BG)、同型半胱氨酸(Hcy)、尿酸(UA)、肌酐(CR)、谷丙转氨酶(ALT)、谷草转氨酶(AST)、总胆固醇(TC)、甘油三酯(TG)、低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)、高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)。采用二元Logistic回归分析血生化指标与ED的相关性。结果 ED组年龄小于对照组(P<0.01)。两组TC、TG、HDL-C、LDL-C、AST比较,差异无统计学意义(P>0.05)。ED组的BG、Hcy、ALT、UA、CR高于对照组(P<0.01)。BG、UA是年轻ED的相关因素(OR=1.796、1.008)。灵敏度为70.6%,特异度为62.1%。结论 在年轻男性人群中,ED患者的BG、UA、CR、Hcy、ALT高于正常人群,BG、UA升高是年轻ED的相关因素。

MRI与CT在膝关节损伤诊断中的临床应用

目的探讨MRI与CT在膝关节损伤诊断中的临床应用价值。方法选取膝关节损伤患者96例,行MRI和MSCT检查,将手术或关节镜结果作为金标准,比较MRI和MSCT的诊断效能。结果经手术或关节镜最终确诊阳性患者84例,阴性12例;MSCT检查最终确诊阳性74例,阴性22例;MRI检查最终确诊阳性83例,阴性13例。MRI的诊断准确度、特异度、敏感度、阳性及阴性预测值较MSCT高(P<0.05)。MSCT最终确诊的74例患者中,胫骨髁间嵴骨折14例,髌骨骨折15例,股骨内侧髁骨折10例,内上髁骨折8例,股骨外侧髁骨折6例,外上髁骨折5例,胫骨平台骨折10例,股骨远端及胫骨近端粉碎性骨折6例,这些骨折患者检查期间均有清晰骨折线存在。MRI最终确诊的83例患者当中,胫骨髁间嵴骨折16例,髌骨骨折16例,股骨内侧髁骨折13例,内上髁骨折9例,股骨外侧髁7例,外上髁骨折6例,胫骨平台骨折10例,股骨远端及胫骨近端粉碎性骨折6例,观察到有骨折线且伴随长T_(1)和T_(2)信号。将手术或关节镜结果作为金标准,MRI检查对于骨折线、骨折附近软组织损伤及关节囊积液的检出率高于MSCT检查(P<0.05)。结论与MSCT相比,成人外伤所致膝关节损伤采取MRI诊断效能较高,可清晰提供损伤位置影像学特征,明确损伤分型,为临床诊治带来客观、准确的参考依据。

雷公藤甲素对小鼠生精功能的损伤作用及机制的研究

目的 观察雷公藤甲素(Triptolide, TP)连续给药小鼠整个生精周期(35 d)对睾丸组织的损伤效应、产生损伤的量效关系及与氧化应激机制之间的联系。方法 将36只雄性C57小鼠分为正常组及雷公藤甲素不同剂量组(TP 0.05 mg/kg组;TP 0.1 mg/kg组;TP 0.2 mg/kg组;TP 0.4 mg/kg组;TP 0.8 mg/kg组),每组各6只。根据分组分别以DMSO/0.9%NaCl溶液及TP不同剂量组溶液连续灌胃5周。计算睾丸脏器指数、观察病理结果及生精细胞凋亡情况,检测睾丸组织的活性氧(ROS)及氧化酶(MDA、NO)/抗氧化酶(CAT、GSH-PX、T-SOD)表达水平。结果 与正常组比较,TP 0.05 mg/kg组睾丸脏器指数下降;部分生精小管出现损伤(生精细胞排列紊乱、间隙增加、精子减少等);凋亡细胞数增加;ROS及氧化酶(MDA、NO)表达水平上升,差异无统计学意义(P>0.05);抗氧化酶(CAT、GSH-PX、T-SOD)活性下降,差异无统计学意义(P>0.05)。与TP 0.05 mg/kg组比较,TP 0.1 mg/kg组~TP 0.8 mg/kg组睾丸脏器指数随着剂量增加而下降,其中TP 0.2 mg/kg~TP 0.8 mg/kg组较正常组,差异有统计学意义(P<0.05);TP 0.1 mg/kg组~TP 0.8 mg/kg组生精功能损伤随着给药剂量增加逐渐加重,其中TP 0.4 mg/kg组及TP 0.8 mg/kg组管腔内未见生精细胞、仅存在支持细胞;TP 0.1 mg/kg组凋亡细胞增加,TP 0.2 mg/kg组~TP 0.8 mg/kg组因各级生精细胞大量丢失,凋亡细胞反而较少(其中TP 0.2 mg/kg组较TP 0.1 mg/kg组凋亡细胞减少,TP 0.4 mg/kg组、TP 0.8 mg/kg组几乎无凋亡细胞存在);TP 0.1 mg/kg组~TP 0.8 mg/kg组ROS及氧化酶(MDA、NO)表达水平呈上升趋势,差异无统计学意义(P>0.05);抗氧化酶(CAT、GSH-PX、T-SOD)活性呈下降趋势,差异无统计学意义(P>0.05)。结论 在小鼠整个生精周期(35 d)内,TP给药建立生精功能损伤模型的最合适剂量为0.1 mg/(kg·d),这种损伤与氧化应激引起的细胞凋亡相关。

超声加工TC18钛合金表面完整性试验研究

针对航空钛合金零件精加工后使役性能大幅降低问题,提出基于旋转超声加工的表面强化技术。通过旋转超声铣削试验探究了超声加工工艺参数对钛合金表面粗糙度、表面硬度和残余应力的影响规律,分析了高频低幅的超声振动对钛合金表面质量的作用机制。试验结果表明,超声铣削加工过程中主轴转速对钛合金表面完整性影响显著;不同转速下的超声铣削钛合金表面形貌呈现为周期性的鱼鳞状且其表面粗糙度均高于普通铣削钛合金表面粗糙度;超声铣削加工钛合金表面残余应力为压应力,相较于普通铣削,钛合金表面残余应力绝对值提高了25.9%~59.3%;与普通铣削相比,采用超声铣削可以使表面显微硬度提高7.6%~14.3%。

丘陵山区农业机械研究现状及发展建议

丘陵山区是我国农业机械化发展的薄弱区域,从丘陵山区农业机械设计、模块化设计方法和机组作业协同控制等方面对我国丘陵山区农业机械的研究现状进行分析,并指出我国丘陵山区农业机械开发方面仍存在创新设计方法不足、机组作业协同控制效果差和智能化程度低的问题。结合现代设计技术,从电气化、数字化和智能化的角度针对丘陵山区农业机械驱动方式的电气化升级、多源驱动高效传动动力底盘的模块化设计、数据驱动建模和智能协同控制方面对丘陵山区农业机械发展提出建议。

大型高地隙喷雾机喷杆减振试验与优化

针对大型高地隙喷雾机喷杆振动大、减振元件减振效果差的问题,采用二次正交旋转组合试验方法,对悬架上减振元件进行4因素3水平的田间振动试验,得到各因素对振动影响显著性及趋势变化。对减振组合参数进行优化和试验验证,得到最优减振组合:喷雾机行驶速度2.125 m/s、垂向弹簧刚度系数78.14 N/mm、垂向阻尼器复原阻尼系数8.23N·s/mm和水平阻尼器复原阻尼系数8.74 N·s/mm;优化后,喷杆行进方向振动加速度0~6 m/s~2区间占比85.26%、提高4%以上,翻滚倾角0~0.6°区间占比88.37%、提高4%以上,垂向振动加速度0~6 m/s~2区间占比87.96%、提高3%以上,喷杆的振动和翻滚明显减小。喷杆悬架减振组合试验和优化验证试验结果为喷雾机作业参数设置和减振元件参数选取提供参考。

基于关节电机性能约束机器人的运动轨迹平滑规划

为了使机器人运动过程平滑,采用机器人的逆动力学特性,通过约束机器人关节电机性能得到一种运动轨迹平滑规划方法。该方法中平滑运动轨迹使用五次样条曲线,以笛卡尔空间粗插补和关节空间精插补相结合,在考虑关节角速度约束和逆动力学得到的关节力矩约束下,建立角速度和关节力矩等关节电机性能与粗插补周期的关系式,便可通过修改粗插补周期得到满足关节电机性能约束的平滑运动轨迹,避免因优化平滑运动轨迹而带来的大量计算,更容易操作。通过与三次B样条曲线插补算法规划的轨迹相比,结果表明:此规划能大大提升机器人关节运动的平稳性,减小冲击和振动对机器人运动的影响。

粉砂岩干湿循环力学性能劣化及统计损伤模型

内陆港口岩石地基经历不同程度的干湿循环作用,地基承载性能衰减劣化。以干湿循环次数和围压作为试验工况,开展粉砂岩常规三轴压缩试验。假定粉砂岩微元强度服从改进Harris概率分布,从而定义损伤变量,选择M-C强度准则,结合试验结果中弹性模量及内摩擦角的对数型衰减规律,构建一种可反映干湿循环的统计损伤模型,并给出参数解析方法,得到损伤发展曲线。采用新建模型辨识粉砂岩及文献中泥质白云岩和砂岩试验曲线,并经模拟对比。结果表明,粉砂岩弹性模量、黏聚力、内摩擦角均随着干湿循环次数的增加而逐渐衰减,当循环次数达到16次时,衰减变化曲线趋于平稳,该衰减规律可用对数函数表示;干湿循环促进岩石力学性能衰减劣化,宏观表现为峰值应力的降低;新建模型经验证可行。

基于核磁共振试验的粉砂岩干湿循环损伤演化研究

受降雨入渗和地下径流影响,内陆港口岩石地基经历着干湿循环作用,地基承载能力随时间推移而逐渐衰减。以粉砂岩为研究对象,开展5种干湿循环条件下的核磁共振和单轴压缩试验。基于几何损伤和能量损伤,结合岩石孔隙体积及弹性模量变化规律,建立两种损伤演化方程,分析粉砂岩干湿循环损伤演化机制。结果表明:粉砂岩T_(2)谱图表现出3个峰,分别对应微小、小尺寸和大尺寸孔隙,粉砂岩的结构孔隙以微小、小尺寸孔隙为主;随着干湿循环作用的加强,T_(2)谱峰总面积、孔隙度均表现出幂函数递增规律,岩石孔隙数量逐渐递增;干湿循环促进峰值强度和弹性模量的衰减,当循环次数达到16次时,衰减幅度逐渐平缓。

玉米行间导航线实时提取

针对高地隙植保机底盘玉米田间植保作业压苗严重的现象,该研究提出了基于车轮正前方可行走动态感兴趣区域(Region of Interest,ROI)的玉米行导航线实时提取算法。首先将获取的玉米苗带图像进行像素归一化,采用过绿算法和最大类间方差法分割玉米与背景,并通过形态学处理对图像进行增强和去噪;然后对视频第1帧图像应用垂直投影法确定静态ROI区域,并在静态ROI区域内利用特征点聚类算法拟合作物行识别线,基于已识别的玉米行识别线更新和优化动态ROI区域,实现动态ROI区域的动态迁移;最后在动态ROI区域内采用最小二乘法获取高地隙植保机底盘玉米行间导航线。试验表明,该算法具有较好的抗干扰性能,能够很好地适应较为复杂的田间环境,导航线提取准确率为96%,处理一帧分辨率为1920像素×1080像素图像平均耗时97.56 ms,该研究提出的算法能够为高地隙植保机车轮沿玉米垄间行走提供可靠、实时的导航路径。

基于卷积神经网络的玉米根茎精确识别与定位研究

为了能精准地识别和定位玉米根茎,本文建立了基于迁移学习方法的玉米根茎检测网络,模拟人眼识别功能从复杂的田间环境中识别和定位玉米根茎,实现履带自走式热雾机玉米行间对行行走。以履带自走式热雾机为图像采集平台获取玉米作物田间图像,采用DOG金字塔算法提取图像中的目标根茎,构成样本训练数据库。通过训练网络,首先实现了单株玉米根茎的精准识别,然后开展玉米作物行间环境下多株玉米根茎精确识别和根茎定位。基于已识别的玉米根茎位置采用最小二乘法拟合行驶路径,试验结果表明,提出的玉米根茎识别方法与传统图像处理的方法相比,具有更好的定位精度,能够实现玉米作物田间路径的准确规划,为履带自走式热雾机玉米行间对行行走提供了技术支撑。

高地隙植保机辅助驾驶系统设计与试验

针对高地隙植保机作业时驾驶员视野较差导致压苗伤苗的问题,提出了一种辅助驾驶方法。以某高地隙植保机为研究对象,设计了一套人机辅助驾驶系统。首先详细阐述了辅助驾驶系统的液压系统设计方案,在此基础上进行了转向系统结构改进;其次基于预瞄算法和二自由度车辆转向模型,进行转向系统前轮转角控制研究;最后基于LabVIEW软件创建了辅助驾驶控制系统。在0.5m/s的速度条件下,分别在水泥路面和玉米田间环境下进行了试验,试验结果表明,水泥路面条件下,辅助驾驶系统直线路径跟踪偏差均值为5.2cm、标准差为3.4cm;玉米田间行驶条件下,辅助驾驶系统的跟踪偏差均值为6.8cm、标准差为4.8cm;设计的辅助驾驶系统在宽行种植作物中具有良好的实用性。

基于直流电机与全液压转向器直联的自动转向系统研究

针对农机装备电控液压自动转向系统生产成本高及电动方向盘自动转向系统中控制力矩小、存在自由行程的问题,设计了基于直流电机与全液压转向器直联的自动转向机构及其电控系统,该系统主要包括自动转向执行机构、自动转向控制器和液压转向机构等。自动转向执行机构与原车液压转向机构连接实现自动转向功能,考虑了底盘阿克曼角的自动转向控制器实现车轮转向的精确控制,通过在转向驱动电机输出轴安装电磁离合器和转向柱扭矩传感器实现人工驾驶模式和自动驾驶模式的自动切换。试验结果表明,车轮转角响应平均稳态误差小于0.1°,最大稳态误差为0.158°,±20°阶跃信号最快响应时间达1.2 s,超调量小于1%,可以满足对各种轮式农机的自动导航辅助驾驶转向系统性能的要求。