基于静态凝聚法的蜂窝芯轴向变胞元非均匀排布优化

为了有效改善蜂窝结构的强度与刚度,提出利用静态凝聚法实现变胞元的几何参数和非均匀排布同时优化的方法。根据卡氏定理,推导胞元的等效弹性模量和泊松比;沿轴向均匀划分蜂窝芯为若干列子结构,利用有限元法得到子结构的刚度矩阵;采用静态凝聚法建立超单元刚度矩阵,依据超单元节点编号装配获得蜂窝芯的整体刚度矩阵;计算蜂窝芯在剪切载荷作用下的结构变形,并与ANSYS结果比较分析。以子结构的个数以及胞元的夹角、夹板宽与斜壁长之比为设计变量,胞元的等效弹性模量最大和蜂窝芯的变形最小为设计目标,利用改进的粒子群算法进行优化并研究蜂窝芯优化前后的静、动态特性变化规律。结果表明:变胞元非均匀排布优化后,最大的位移、应力、应变均明显减小,且激励频率等于第二阶固有频率时振动最为强烈。研究结论可为蜂窝结构变胞元排布的优化设计提供指导。

具有变胞功能的平行四杆机构动力学特性研究

变胞机构在机器人结构设计中应用广泛。为了研究一种常见输电线巡检机器人具有的平行四杆变胞机构动力学特性,首先建立运动循环图对其运动中的构态变换过程进行分析,确定了构态变换方式;其次利用Lagrange方程建立此移动变胞机构的动力学模型,通过数值仿真,分析质量和杆长参数变化时对其动力学特性的影响。研究结果表明:此平行四杆变胞机构属于二构态变胞机构;随着质量的增大,速度峰值在增大,而随着杆长的增大,速度峰值却在减小;两个参数对加速度的影响很小。研究结果对于具有此变胞机构形式的巡检机器人动力学研究提供了借鉴作用。

基于ADAMS变胞升降机构构态变换动力学仿真分析

在地震等自然灾害发生时,道路上常常会出现大小碎石,而大小碎石影响抢险运输车的快速通行。在车辆底盘加装升降机构是解决这一问题的有效办法。然而,现有的升降机构升降方式较为单一,占用空间较大,不便安装在车辆下方。此外,还面临着不能随不同的工况进行灵活升降的问题。为了解决这些问题,基于变胞机构原理设计了一种变胞升降机构;建立变胞升降机构的虚拟样机模型,利用ADAMS软件进行构态变换动力学仿真实验,研究了车辆在构态变换过程中的动力学特性。结果表明,该机构具有变拓扑构型和变自由度的特点,能够根据工况的不同,以不同的构态完成工作任务;针对不同大小的障碍物,该机构可进行一级或二级升高,实现快速越障;该机构具有优异的可行性和稳定性。

变胞工程机器人设计及其稳定性探究

为使变胞工程机器人能够应对更复杂的地形,研究通过轮腿式和滑槽式魔方机构增大机器内部空间,实现躯干各层转动和子块位置互换的功能,从而设计了一种新型的变胞工程机器人。结果表明:变胞工程机器人改进后的滑槽式结构加工难度降低,子块不易脱离。该机器人构型的前后转动层由电机驱动,在越障时左右转动层可以自适应旋转。当其最小稳定角为25.69°、重心高度为56.45 mm时,运动的稳定性最好,不易发生倾翻。此外,机器人采用的三足步态可以保持快速移动,并具有较小的位移偏移量。新型的变胞工程机器人具有较高的稳定性,在地域探险中具有较高的应用价值。

面向智能变胞车的改进YOLOv5楼梯目标识别算法

针对智能变胞车在室内楼梯环境下自主攀爬过程中的楼梯识别问题,文章提出一种基于改进YOLOv5的楼梯识别算法。为满足算法模型的实时性要求,利用轻量级网络EfficientNetV2替换YOLOv5算法的主干网络;使用GSConv模块和VoV-GSCSP模块替换原颈部网络中的Conv模块和CSP模块,在增强目标特征响应的基础上进一步减少计算成本;为弥补算法模型简化带来的精度损失,在颈部网络上添加坐标注意力机制,通过强化目标关注以提升在复杂场景下的目标识别效果;最后将改进的算法模型应用于嵌入式平台进行实验检测。实验结果表明:改进后的算法模型平均检测精度为91.99%,模型大小仅为3.1 MB,相较于其他目标检测算法具有明显的优越性。文章所提算法能够有效地对楼梯进行实时、准确的检测识别,为后续变胞车自主越障奠定了一定的理论基础。

变胞式输电线路树障清除机器人智能遥控关键技术研究

探索变胞式输电线路树障清除机器人智能遥控关键技术,重点研究自适应轮毂机架技术,包括设计原理与结构优化、气动式实现方案和夹紧机构的设计与优化方法,探讨转向控制算法及树枝修剪技术,包括转向控制算法的设计与优化、基于视觉感知的树枝识别和修剪技术以及快拆式安装架的设计与优化,最后研究导线与修剪树干距离测量及避障技术,包括基于RTK定位的测量原理与算法、电场感应和激光雷达在避障中的应用,以及实时显示与监控系统的设计与开发.通过研究,提出了一套智能遥控变胞式输电线路树障清除机器人的关键技术实现方案.

基于约束函数的变胞机构变胞方程

变胞机构拥有多个变换的稳态和变胞态,其拓扑构态描述与分析是变胞机构结构学的难点。采用数学分析方法,探索全面、简便而准确地描述和分析变胞机构构态拓扑结构的问题。根据运动副约束的特征,定义反映运动副类型、级别、自由度、方位、性质及其随时间变化情况等诸多特征信息的参数——运动副约束函数,采用矩阵法构建以约束函数为元素的机构变胞源运动链邻接矩阵。针对合并构件、分离构件、改变构件性质、新增运动副、消除运动副及改变运动副性质等六类机构变胞方式,分别定义相应的机构变胞函数和变胞矩阵,建立相邻稳态之间变胞态的机构变胞方程。应用实例表明,所定义的运动副约束函数、运动链邻接矩阵、变胞矩阵和变胞函数等概念能简便、广泛地描述变胞机构的构态特征,基于约束函数的机构变胞方程能准确地描述和分析机构相邻稳态之间变胞态的变换过程,为变胞机构的结构分析提供一种新的途径和方法,并为进一步的变胞机构运动学和动力学分析以及机构综合研究提供理论基础。

水下变自由度变胞机构结构及应用研究

提出了变自由度变胞机构结构的3种分类,从8个方面总结了变胞机构的结构特征。研究了变自由度变胞机构的自由度,基于自由度计算公式,研究了从构态i到构态i+1机构相邻两构态的第二类自由度按增加的变化规律。设计了一种新型的刚柔体变胞机构,为研究水下环境的变胞机构动力学、适应变胞控制和姿态优化控制算法及姿态平衡控制算法奠定了坚实的基础。

单驱动多模式变胞机械手运动学与静力学分析

为了以较少的驱动器实现对目标物体的精确抓取,将变胞机构与筝形直线机构相结合,设计出一种单驱动多抓取模式变胞机械手。机械手通过1个电动机驱动6个手指关节,具有线性平行抓取和自适应包络抓取两种工作模式。首先,基于最小阻力定律推导出变胞机械手不同构态下的等效机构,利用拓扑图描述和分析机械手各构态的拓扑结构变化,建立机械手不同构态下的运动学模型;其次,基于虚功原理建立机械手各指节接触力与输入力之间的关系,并以此为基础,分析弹性元件参数对包络抓取稳定性和各指节接触力的影响,对弹性元件的弹性系数进行优化设计;最后,通过数值计算与虚拟仿真相结合的方式验证所建静力学模型的正确性,为该型变胞机械手的设计和应用提供参考依据。

空空导弹变胞型弹射分离机构技术研究

为满足战机在全飞行包线下安全发射分离空空导弹,空空导弹相对战机的分离姿态需要大范围自适应可调,现阶段只能产生固定分离姿态的弹射分离机构已不满足要求。针对该问题,提出变胞型弹射分离机构设计概念,在弹射机构特定铰链处采用变胞PR-R运动副代替传统的铰链运动副,实时改变弹射机构前推臂、后推臂对导弹的弹射作用力,从而实现导弹弹射分离姿态的大范围可调。建立变胞型导弹弹射机构的多体动力学模型,进行了动力学仿真分析。结果表明,所提出的变胞型弹射机构设计概念能够大范围调节导弹弹射分离姿态角速度,为机载导弹弹射机构进一步实现实时智能化控制奠定了基础。

基于平面变胞原理的食品机械改进设计及分析

基于变胞机构的构态随着不同运动阶段的变化而改变的特性,采用杆组法及达朗伯原理建立并求解某一平面变胞机构的运动学和动力学模型;将该变胞机构运用于食品机械的改进设计中进行实例分析。结果表明:该变胞机构的机构运动和受力状态平稳,设计方案切实可行,可为其他平面变胞机构设计提供参考依据。

变胞机构的基因建模理论与构态进化分析

变胞机构的英文首创是'Metamorphic mechanisms'。这一概念借用了生物学中'Metamorphosis',即变形、变拓扑态、可生长并进化演化。基于这一基本概念,并结合机构的基本杆组组成原理,首次提出变胞机构具有生物特性的组成原理,定义变胞元与变胞基因,并基于变胞基本单元建立变胞机构生物特性结构模型,分析基因进化引导的构型综合思想。通过分析变胞机构的构态转化特点,讨论变胞源机构及生成方法与过程,得出变胞机构构态演变过程生物学进化特性。深入研究变胞机构在变胞进化生长过程中构型要素的转化方式与蜕化方法,建立变胞机构学具有生物演变特征的机构组成原理及进化构态建模理论。在此基础上结合传统基本机构进化生成变胞机构构型给出分析示例,并基于工作阶段子机构之间进化为变胞机构过程中不同的自由度跃迁结果,对变胞源机构的进化计算分别进行讨论。

变胞机构的基因进化综合理论

首次引入生物学原理研究机构综合与设计。提出变胞元素(进化单元),探讨基于变胞元素的变胞机构基因进化机制,建立基于基因进化技术的变胞机构创新设计理论。首先深入分析变胞机构的综合过程与构态进化特点,结合变胞机构的机构组成原理与结构构型建模分析,建立基于变胞元素的变胞机构基因建模方法,以基因模型讨论变胞机构的构态演变与进化。针对提出的变胞进化单元,深入研究底层变胞单元的基因进化机制与规律,主要探讨基因聚合进化机制、主动基因进化机制、基因变异进化机制、基因相交进化机制和基因分离进化机制,建立变胞机构基因设计理论基础与构态自动演变计算方法,实现满足多功能阶段设计需求的变胞源机构多构态模式。计算实例中变胞源机构综合过程验证了基因设计理论的正确性,变胞源机构到具体工作阶段机构的可分离蜕化变胞元素求解过程体现了进化综合理论的有效性。

平行四边形变胞移动机构的构态变换随机性分析

变胞机构在运动过程中可以实现不同的构态变换。为了研究变胞机构构态变换过程中的随机性影响,建立一种常见的平行四边形变胞移动机构模型。以等效阻力梯度模型为基础,对机构进行动态静力学分析,并最终对其构态变换过程进行研究。分析不同参数变化时,对平行四边形变胞移动机构构态变换过程中的随机性影响,得出转速、杆长、外力、外力矩不同参数变化情况下构态变换过程中产生的随机性影响。结果表明:随着转速、外力、外力矩的增大,使变胞机构构态变换过程中更容易产生随机构态,杆长的影响不明显。研究结果对于未来如何利用和控制具有作业任务的变胞机构中的随机构态起到借鉴作用。

变胞手爪攀爬机器人多姿态力学分析

为了同时满足在实际生产中对攀爬机器人越障能力和负载能力的高要求,设计了一种带变胞手爪的仿生攀爬机器人。变胞手爪在夹持过程中,手指在接触到管道之后进行限位,通过机构变胞,使各手指在一定角度内依次转动,能稳定抓取不同类型的管道。利用虚功原理建立了变胞手爪在夹紧管道时各手指与管道之间接触力和驱动力的静力学模型。根据理论计算结果,在ADAMS中对攀爬机器人在多种姿态下的攀爬运动特性进行了仿真分析,实现了攀爬机器人在不同管道上的攀爬。仿真结果表明,攀爬机器人在多姿态下具有可靠夹持能力和稳定运动能力,验证了攀爬机器人的结构设计和变胞手爪力学模型的正确性。

平面变胞机构及其结构分析

首先定义了变胞机构和变胞运动副的概念,提出了5种类型的变胞运动副,并对它们的特性和原理进行了详细的研究;通过变胞机构中自由度变化分析,提出了变胞机构中变胞运动链的概念,研究了变胞机构的结构组成原理和变胞机构的结构分解步骤,为变胞机构构态变换和机构的综合打下了坚实的基础.

一种圆柱壳体圆孔切割机构变胞特性分析

提出了一种新型的变胞切割机构,应用于机械设备尤其是舰艇圆柱壳体表面的孔切割.通过变胞切割机构的拓扑结构的变化,使机构自由度发生改变,以适应在切割过程中切割圆孔直口、在所开孔上切割变角度坡口,以及在直口切割和坡口切割之间进行切割状态转化的要求.在对其进行机构原理和2个构态下的自由度分析的基础上,应用拓扑结构图论和邻接矩阵分析了变胞切割机构在2个构态下的各个构件间的连接状态.建立了变胞方程和变胞矩阵,用以分析和描述整个变胞过程.理论分析结果说明了该机构的有效性和实用性。

变胞机构的研究综述与展望

随着变胞机构研究的深入,变胞机构理论和应用也不断地发展和创新,有必要将现有的研究成果加以总结和分析,对未来的发展趋势进行展望,以促进变胞机构理论和应用的进一步发展。在变胞机构研究的基础上,介绍变胞机构的起源和意义,提出判定条件和5种变胞方式及其实现方法。并按照变胞机构的结构学、运动学、动力学、柔性变胞机构等方面,对变胞机构理论的研究现状进行阐述。鉴于变胞机构的结构学研究较多,按照变胞机构的构态描述方法、结构分析方法和结构综合方法等3个方面进行总结。并介绍变胞机构在航天、现代制造业和机器人等领域的应用现状。对于变胞机构的未来发展趋势进行构想和展望,提出几个未来潜在的研究方向。

3URS-PPPS并联变胞切割机构的运动学分析及仿真

并联变胞机构的运动学位姿正解和逆解是并联变胞机构运动学研究的重点,也是机构工作空间分析和误差分析的基础。以3URS-PPPS型并联变胞切割机构为研究对象,采用D-H参数法建立其变胞源构态和子构态的统一位姿解析模型,对比Matlab数值计算与ADAMS仿真分析结果,验证理论分析的正确性。

变胞机构的等效阻力梯度模型及其设计方法

针对实用约束变胞机构在变胞全过程中的构型转换、构型保持和运动时序问题,引入变胞机构阻力梯度的概念,将约束变胞全过程的调控转化为变胞运动副等效阻力梯度调控的过程,探索实用约束变胞机构设计新方法。通过建立变胞机构的运动循环图,获取约束变胞运动副基于任务的运动规律和对应约束力或约束力矩的联系。通过将约束力与约束力矩等效,定义一种归一化的变胞副的等效阻力系数函数,进而建立变胞机构的等效阻力梯度模型,揭示了变胞运动副的等效阻力、约束特点、约束形式和结构形式的内在联系。以超高压输电线路断股修复机器人的变胞捋线机构的设计为例,演示了基于等效阻力梯度模型的约束变胞机构的设计方法,结果表明提出的设计理论和设计方法是可行和实用的。