上肢康复机械臂运动学和力学模型建立与分析

针对传统康复机械臂存在的适配人体上肢自由度低、便携性较差、左右肢体互换困难等问题,提出一种9自由度的便携型上肢康复机械臂,满足偏瘫患者的训练需求。运用Matlab建立DH坐标系和运动学模型,通过蒙特卡洛法获取康复机械臂的三维空间点云图,验证其工作空间的合理性。基于牛顿-欧拉和拉格朗日方程对上肢康复机械臂进行动力学建模,推导了上肢康复机械臂力矩计算公式。将Adams动力学仿真与理论公式计算获取的各关节力矩值进行对比分析,计算两者之间的误差。实验结果表明,理论力学公式计算结果与Adams仿真结果误差值在0.1 N∙m以内,各关节的误差均在5%以内。实验结果验证了理论力学公式的正确性,为后续控制系统的建立和实物样机的制作提供了可靠的理论依据。

汶川8.0级地震断层同震位移的构造意义与运动学模型

5.12汶川8.0级地震断层的同震位移方式、大小和空间变化为检验断层几何学、运动学与动力学分析理论与方法提供了一个现实范例。本文通过对汶川8.0级地震断层同震位移的几何学、运动学特征和可能的深部过程分析,并考虑到地震动力作用的影响,探讨了断层同震位移的地质意义和断层运动学模型问题,继而讨论了汶川8.0级地震过程中所呈现出的断层构造变形的现象对断裂构造分析的有关理论和方法的启示。提出了如下初步认识:(1)根据地震破裂面两侧地表高程差确定的断层垂直同震位移,并不完全是深部震源破裂的构造位移扩展到地表所致,而是包含了地震动力作用对断层破裂面两侧深部岩体的结构损伤破坏(膨胀)强烈程度差异所形成的非构造位移;(2)汶川地震的发震断层走滑-逆冲位移大小和方式的空间变化,可以用区域稳态构造应力和地震动力的联合作用给予合理解释,即断层的逆冲位移成分可以归因于为垂直断层的南东向的区域构造挤压应力作用之结果,而水平走滑位移则与震源体破坏过程形成的地震动力作用方向与不同区段断层的交角变化所致,即震源体上方映秀-北川断层南段和彭灌-江油断层,无论是区域构造应力,还是地震动力,都与断层走向近于直交,因此,断层以逆冲为主;而映秀-北川断层北段,即北川-青川段,由于地震动力方向与断层面斜交,并且越向北东方向交角越小,即使构造应力仍然为垂直断层走向,但构造应力和地震动力的联合作用,必然会导致走滑位移成分增加,自南向北位移的减小和震源体产生的地震动力作用的衰减;(3)汶川地震中发震断层同震位移,自南向北不仅位移方式呈现出由逆冲为主到逆冲走滑的变化,而且位移大小也逐渐减小,特别是在虹口一带,在同一摩擦镜面上先后出现了不同方向断层擦痕,即一次构造过程,就可在断层中先后形成不同方向运动学线理,反映了地震构造过程的运动学与动力学的复杂性。这些构造现象对历史断层运动学-动力学分析理论和原则提出了挑战。在研究断层历史活动方式和活动期次时,如何建立沿断层走向的运动学方式的变化与其相对应的区域构造应力场关系问题,利用断层不同方向的运动学线理确定的断层活动期次和活动方式的可靠性问题,断裂构造运动学-力学过程分析的理论和方法是否应该充分考虑地震动力作用的叠加影响问题等。这些有关地壳构造变形分析的基本科学问题值得构造地质学家进一步思考和探讨。

西秦岭临潭-岷县-宕昌断裂带新生代运动学历史及动力学分析

临潭-岷县-宕昌断裂带是青藏高原东北缘西秦岭腹地具有构造边界性质的区域断裂带之一,它由多条近于平行的逆冲-走滑断层组成。通过对其主要断层之一的小寨-浦麻断层(F3)典型断层带内断层岩类型和分带特征、构造要素的几何学-运动学特征及构造截切关系等观测分析,表明其主要为新生代形成的一条脆性断层,至少经历了3期具有不同几何学-运动学特征的构造活动历史。第一期表现为向北北东陡倾(倾角为70°~80°)的自北向南高角度逆冲作用;第二期表现为向北北东中等倾斜(倾角为30°~50°)的自北向南逆冲作用;而第三期则表现为向南西陡倾(倾角为60°~70°)的左旋走滑作用。根据断层卷入的最新地层时代、三期变形构造要素产状及截切关系和青藏高原东北缘新生代以来区域断裂活动、沉积盆地演化和地壳隆升过程分析,认为第一期挤压逆冲作用起始于始新世中期(45~50 Ma左右)持续到渐新世初期;第二期挤压逆冲作用发生在中新世末或上新世初,持续到早第四纪;而第3期左旋走滑作用只是晚第四纪以来的构造作用。临潭-岷县-宕昌断裂带的小寨-浦麻断层的三期构造活动可能记录了印度板块与欧亚板块碰撞汇聚过程不同阶段在西秦岭的构造动力学响应。第一期挤压逆冲作用可能与印度-欧亚汇聚碰撞高峰期(55~45 Ma)地壳的挤压缩短作用的远程效应有关;而第二期的逆冲作用与青藏高原地壳增厚和高原隆升向东北缘的扩展作用相联系;第三期左旋走滑作用则是晚第四纪以来的构造活动,明显滞后于5Ma青藏高原腹地的东西伸展和挤出走滑作用,这有可能暗示着青藏高原东北缘断裂构造活动及地壳隆升过程与青藏高原腹地并不同步。这为新生代以来印度板块-欧亚板块碰撞作用是逐渐向北扩展生长过程提供了构造地质学约束。

机器海豚的运动学及动力学建模和仿真

模拟海豚的背腹式运动机理开发新型的水下航行系统,将是微型智能潜艇发展的一个方向。作为基础性理论研究,本文以海豚背腹式摆动推进方程为基础,应用坐标变换的方法,建立了描述海豚尾鳍俯仰-沉浮运动的数学模型,在此基础上结合茹科夫斯基举力定理建立了机器海豚的动力学模型。运用Matlab软件对这第一个模型进行了仿真研究,分析了运动学参数ψ对海豚推进性能的影响,讨论了这个参数的最佳取值ψ≈90°。此项研究为机器海豚的设计实现提供了理论依据,同时有助于进一步认识和研究海豚的运动机理。

龙门山断层地震周期及其动力学过程模拟研究

在断层面上引入速率-状态相依摩擦本构关系、考虑铲形逆冲断层几何结构特征、断层下盘和上盘中下地壳及上地幔为黏弹性介质、上盘上地壳为弹塑性介质,本文用二维有限元动力学模型模拟了龙门山断层上大震准周期复发行为、分析了断层上地震孕育位置、地震周期不同阶段的应力/应变场演化特征.不同于近垂直走滑断层上的地震周期行为,大陆铲形逆冲断层上的构造应力的积累和释放过程更复杂、有其独特性.我们得到如下认识:(1)铲形逆冲断层上的地震复发是准周期行为.(2)龙门山断层最大库仑应力位于断层17~20km深处,应力长期积累和同震释放都在此深度最大,说明地震会在此处孕育、发动.(3)在断层破裂的深部和浅部,同震滑动大小和构造应力释放大小并非同步,而是差异悬殊.(4)地震仅部分释放区域积累的应变能,断层上盘上地壳顶部和底部的褶皱、破裂等永久变形形式也是释放应变能的重要形式.(5)应变能密度增量的演化图像分为:震间、同震、震后期,清晰反应了龙门山断层附近的地震动力学过程.(6)地震发生除释放能量外,同时也对近断层的中地壳和断层底部有很大的应变能加载;这些加载,在震后期可能通过震后滑移、余震或中下地壳乃至上地幔的驰豫形变用几十年时间释放.以上对大陆内铲形逆冲断层上变形特征的了解,有助于我们在其地震周期行为中评估地震危险性.

土体力学性质对输气管道穿越地震断层的影响分析

为获取土体力学性质对输气管道应变行为的影响,给出等效边界弹簧设置在管道弹塑性变形段的本构关系,并据此建立考虑等效边界弹簧的输气管道穿越地震断层壳-接触有限元模型。利用该有限元模型,分析地震断层作用下土体力学性质对输气管道受拉侧和受压侧最大轴向应变的影响规律。结果表明:在较小的断层位移下,土体弹性模量和内摩擦角对最大轴向应变有较大影响;随着断层位移的增大,土体弹性模量和内摩擦角对最大轴向应变的影响降低。无论较小断层位移还是较大断层位移,土体内聚力对输气管道最大轴向应变的影响均较小。

流体-地质力学耦合建模表征水力压裂诱发地震:以加拿大Fox Creek地区为例

随着水力压裂技术在页岩气开发中的广泛应用,加拿大西部盆地的诱发地震活动显著增加.目前对于诱发地震的综合表征方法还不成熟.本文采用一种综合地质、岩石力学及流体力学的研究方法,对Fox Creek地区2015年2月8日发生的M 3.0诱发地震事件进行了综合表征.首先,利用高分辨率三维反射地震资料,采用蚂蚁体追踪技术识别潜在断层.其次,利用测井曲线和压裂施工数据等资料定量求取岩石力学及地应力参数,建立三维地质力学模型,明确水力压裂缝的空间扩展规律.最后,建立流体-地质力学耦合模型,计算水力压裂过程中断层附近的孔隙压力及局部应力变化,利用摩尔-库仑破裂准则判定断层激活的时间与空间位置,揭示本次诱发地震事件的触发机制并提出风险控制对策.结果表明,三条由Precambrian基底向上延伸至Duvernay地层的近垂直断层在水平井压裂过程中被激活.由于水平井的部分压裂缝与断层沟通,注入流体沿断层的高渗透破裂带向下迅速扩散,在基底位置激活断层并诱发M 3.0地震事件.其中孔隙压力增加是本例中断层活化的主要因素.现场措施表明,增大压裂水平井与已知断层之间的距离被可以有效地降低地震风险.因此在进行水平井钻井及压裂作业之前,明确地下断层的分布位置至关重要.

断层相关褶皱理论与应用研究新进展

自Rich(1934)提出断层转折褶皱的几何学概念以来,Suppe(1983)首次将其定量化,建立了褶皱形态与断层形态和断层滑动之间的定量关系,奠立了断层相关褶皱理论的基本模型。20年来,不但建立了断层传播褶皱、断层滑脱褶皱等基本端员类型的几何学与运动学模型,也建立与完善了断层相关褶皱叠加样式的几何学与运动学模型,例如叠瓦构造、构造楔与干涉构造等。研究同构造沉积作用,建立了生长断层相关褶皱的几何学与运动学模型,将沉积作用与断裂作用、褶皱作用及构造隆升作用等有机地联系起来。考虑地层的力学性质与变形差异,提出与建立了剪切断层转折褶皱理论,并建立了断层相关褶皱的一系列力学模型。20年来,断层相关褶皱的基本研究方法经历了由二维剖面与平面分析向全三维空间分析的转变,由几何学、运动学模型向力学模型的转变,实验模拟技术与数值模拟技术在断层相关褶皱理论模型的建立与检验中发挥了重要作用。断层相关褶皱的理论和方法在工程地质、地震灾害预报与油气勘探开发等领域获得了广泛的应用。中国在天山、祁连山和龙门山等相邻的前陆盆地的活动构造与含油气圈闭研究中,应用断层相关褶皱的理论与方法取得了重要进展。

三角剪切断层传播褶皱作用理论与应用

基底断层在沉积盖层中传播所形成的褶皱形态难以用平行膝折褶皱理论进行解释,这在于两者的流变学性质有很大差异。Erslev提出了三角剪切断层传播褶皱理论,认为下伏断层的脆性强破裂变形为向上变宽的三角形分布式剪切所调节,三角形顶点固定于断层端点。Hardy和Ford拓展了这一理论并成功地建立数字模拟模型,Allmendinger进一步建立与完善了三角剪切的正演模型与反演方法。通过运动学模型预测结果与天然构造观察和相似模拟实验结果的对比分析,以及通过一系列力学模型对运动学模型的检验,三角剪切断层传播褶皱理论被证实并获得了广泛应用。对前陆盆地、克拉通盆地和走滑盆地的基底卷入型构造与走滑或斜向滑动构造,都可以应用三角剪切断层传播褶皱理论来分析变形样式及其分布特征。该理论可以有效地预测隐伏断层的初始破裂点、断层传播量与发育部位,已成功地应用于工程地质与地震灾害预报等方面。

具有解析式位置正解的三自由度并联机构逆动力学求解

针对一种具有解析位置正解的新型三自由度并联机构,求解了其逆向动力学方程。不同于传统的使用逆运动学的动力学研究,通过正向运动学分析,建立并求解了机构的位移、速度、加速度方程;基于牛顿-欧拉法,通过对各杆件的受力分析,构建并求解了机构的逆向动力学方程;通过Matlab编程计算与ADAMS仿真,对逆向动力学进行了算例验证,各移动副的驱动力最大误差分别为:1.32%,5.8%,5.2%,且动力学求解结果满足实时性要求。研究结果为该机构的设计制造和应用提供力学上的理论依据。

断层穿过上覆围岩巷道破坏力学机理及控制技术研究

为揭示断层穿过顶部围岩巷道的破坏力学机理,以普朗铜矿底部结构断层巷道为研究背景,基于弯矩-应变能理论,从受断层影响巷道围岩力学行为角度出发,建立断层穿过上覆围岩的巷道破坏力学机理模型,揭示巷道断面不同部位围岩因弯矩产生集聚应变能而破坏的力学机制。分析不同侧压力系数条件下断层穿过上覆围岩巷道的破坏特征,不同侧压系数λ下,巷道围岩受力环境的优劣为:λ=1最优,λ<1次之,λ>1最不利;巷道断面不同部位围岩弯矩(应变能)从大到小依次为:巷道底部围岩、巷道拱部围岩、巷道直墙中部围岩,巷道底部围岩弯矩值最大,集聚应变能最大,最易先发生破坏,是应重点加强支护的部位。综合分析现场巷道不同部位围岩破坏情况及现场变形位移监测数据,结合过断层巷道围岩破坏力学机理,提出区域化耦合支护技术思想,实现对过断层巷道破坏围岩有效控制。

生物活性玻璃修饰聚对苯二甲酸乙二醇酯对骨愈合的影响

背景:聚对苯二甲酸乙二醇酯人工韧带材料具备优良的力学性能,但其生物相容性有待提高。目的:观察生物活性玻璃修饰聚对苯二甲酸乙二酯对骨愈合的影响。方法:1体外实验:将聚对苯二甲酸乙二酯(对照组)、生物活性玻璃-聚对苯二甲酸乙二酯复合物(实验组)分别与MC3T3-E1细胞共培养,培养3 d后,观察细胞形态;培养1,3,5 d后,检测细胞增殖及碱性磷酸酶活性;2体内实验:取24只新西兰大白兔,制备单侧膝关节韧带断裂模型,随机分为2组,实验组置入生物活性玻璃-聚对苯二甲酸乙二酯复合物,对照组置入聚对苯二甲酸乙二酯。置入后6,12周,对比移植部位生物力学及组织学变化。结果与结论:1体外实验:培养3 d后,实验组细胞密度显著高于对照组;实验组培养3,5 d的细胞增殖及碱性磷酸酶活性显著性高于对照组(P<0.05);2体内实验:实验组置入后6,12周的最大轴向拔出力显著大于对照组(P<0.05)。置入后6周,对照组存在明显缺损,且缺损部位存在大量炎性细胞;实验组新骨形成界面形成骨小梁,瘢痕组织较少,界面宽度狭小。置入后12周,对照缺损部位模糊,存在明显炎性细胞,骨面上存在新骨;实验组缺损部位存在较多的新生组织,缺损部位可见少许炎性细胞;3结果表明:生物活性玻璃修饰的聚对苯二甲酸乙二醇酯具有良好的细胞相容性、生物力学,可促进骨愈合。

机械臂动力学分析及关节非线性摩擦模型建立

现有研究大多采用分段线性组合而成的拟非线性摩擦模型来描述机械臂各关节摩擦力矩大小及其分布,忽略了低速区关节摩擦的实际非线性变化,而该非线性变化恰恰是影响机械臂轨迹精度及稳定性的关键因素之一。基于此,着重研究机械臂关节非线性摩擦模型及其对机械臂末端轨迹的影响。对多关节机械臂进行几何机构建模,对任意设定的机械臂理想运动轨迹,通过机构运动学分析得到各关节的角位移、角速度和角加速度。考虑非线性摩擦,建立高可靠性的关节非线性摩擦的一般模型。对给定的理想运动轨迹下的角位移、角速度和角加速度进行Newton-Euler反向动力学分析,从而得到各关节的非线性驱动力矩。基于一般非线性摩擦模型,将得到的驱动力矩代入正向动力学模型中得到机械臂末端实际的运动轨迹。通过上述分析步骤,深入研究各关节在不同类型驱动力矩组合条件下对机械臂末端运动轨迹、及各关节角位移的影响。研究结果表明机械臂各关节的不同摩擦形式对末端运行轨迹影响显著,各关节驱动力矩的变化对其相邻关节的角位移也有明显影响。

基于模糊PID的球平衡机器人控制器设计与仿真

为了提高单球机器人的姿态控制和运动控制的能力,本文在构建单球机器人机械结构的基础上,设计了一种基于模糊比例-积分-微分(PID)控制算法的线性二次型最优控制方法的控制器,应用于机器人自平衡姿态解算和运动轨迹跟踪控制。为了提高单球机器人姿态控制的实时性、准确性和可靠性,将复杂的运动学模型简化成二维倒立摆运动学模型,并利用正运动学和逆运动学建立机器人全向轮与球移动函数,确立拉格朗日动力学模型。最后对机器人的姿态平衡和运动轨迹跟踪进行仿真。仿真结果表明:具有优化控制器的球平衡机器人在姿态控制和运动控制中,具有响应速度快、抗干扰能力强等优点。

超形变奇-奇核^(194)Tl中的双堵塞效应

采用处理含有对力的推转壳模型的粒子数守恒方法研究了A～ 190区奇奇核194 Tl中 6条超形变带 .计算结果与实验符合得非常好 .根据我们的PNC计算结果 ,分别指定了194 Tl的 6条超形变带的组态 ,详细分析了质子和中子的堵塞效应对转动惯量的影响 .转动惯量随转动频率的变化主要来源于高N闯入壳 (对中子N =7,对质子N =6)的贡献 ,而其他大壳对转动惯量的贡献基本上不随转动频率变化 .