Flexible Bio-tensegrity Manipulator with Multi-degree of Freedom and Variable Structure

Conventional manipulators with rigid structures and sti ness actuators have poor flexibility,limited obstacle avoidance capability,and constrained workspace.Some developed flexible or soft manipulators in recent years have the characteristics of infinite degrees of freedom,high flexibility,environmental adaptability,and extended manipulation capability.However,these existing manipulators still cannot achieve the shrinking motion and independent control of specified segments like the animals,which hinders their applications.In this paper,a flexible bio-tensegrity manipulator,inspired by the longitudinal and transversal muscles of octopus tentacles,was proposed to mimic the shrinking behavior and achieve the variable motion patterns of each segment.Such proposed manipulator uses the elastic spring as the backbone,which is driven by four cables and has one variable structure mechanism in each segment to achieve the independent control of each segment.The variable structure mechanism innovatively contains seven lock-release states to independently control the bending and shrinking motion of each segment.After the kinematic modeling and analysis,one prototype of such bionic flexible manipulator was built and the open-loop control method was proposed.Some proof-of-concept experiments,including the shrinking motion,bending motion,and variable structure motion,were carried out by controlling the length of four cables and changing the lock-release states of the variable structure mechanism,which validate the feasibility and validity of our proposed prototype.Meanwhile,the experimental results show the flexible manipulator can accomplish the bending and shrinking motion with the relative error less than 6.8%through the simple independent control of each segment using the variable structure mechanism.This proposed manipulator has the features of controllable degree-of-freedom in each segment,which extend their environmental adaptability,and manipulation capability.

Dynamic analysis of new type elastic screen surface with multi degree of freedom and experimental validation

A feasible method was proposed to improve the vibration intensity of screen surface via application of a new type elastic screen surface with multi degree of freedom(NTESSMDF). In the NTESSMDF, the primary robs were coupled to the main screen structure with ends embedded into the elastomers, and the secondary robs were attached to adjacent two primary robs with elastic bands. The dynamic model of vibrating screen with NTESSMDF was established based on Lagrange's equation and the equivalent stiffnesses of the elastomer and elastic band were calculated. According to numerical simulation using the 4th order Runge-Kutta method, the vibration intensity of screen surface can be enhanced substantially with an averaged acceleration amplitude increasing ratio of 72.36%. The primary robs and secondary robs vibrate inversely in steady state, which would result in the friability of materials and avoid stoppage. The experimental results validate the dynamic characteristics with acceleration amplitude rising by62.93% on average, which demonstrates the feasibility of NTESSMDF.

Primary resonance of multiple degree-of-freedom dynamic systems with strong non-linearity using the homotopy analysis method

A homotopy analysis method（HAM）is presented for the primary resonance of multiple degree-of-freedom systems with strong non-linearity excited by harmonic forces.The validity of the HAM is independent of the existence of small parameters in the considered equation.The HAM provides a simple way to adjust and control the convergence region of the series solution by means of an auxiliary parameter.Two examples are presented to show that the HAM solutions agree well with the results of the modified Linstedt-Poincar＇e method and the incremental harmonic balance method.

Modal identification of multi-degree-of-freedom structures based on intrinsic chirp component decomposition method

Modal parameter identification is a mature technology.However,there are some challenges in its practical applications such as the identification of vibration systems involving closely spaced modes and intensive noise contamination.This paper proposes a new time-frequency method based on intrinsic chirp component decomposition(ICCD)to address these issues.In this method,a redundant Fourier model is used to ameliorate border distortions and improve the accuracy of signal reconstruction.The effectiveness and accuracy of the proposed method are illustrated using three examples:a cantilever beam structure with intensive noise contamination or environmental interference,a four-degree-of-freedom structure with two closely spaced modes,and an impact test on a cantilever rectangular plate.By comparison with the identification method based on the empirical wavelet transform(EWT),it is shown that the presented method is effective,even in a high-noise environment,and the dynamic characteristics of closely spaced modes are accurately determined.

Numerical Modeling of a New Flight Simulator Enabling Continuous 360⁃Degree Spinning and Translational Motion

This paper presents a new nine⁃degree⁃of⁃freedom parallel mechanism,which can be applied as a flight simulator.The mechanism is composed by Stewart turntable and another three⁃axis turntable.The Stewart platform can realize six⁃degree⁃of⁃freedom movement in space,but the working space is limited.After the three⁃axis turntable is installed,the rotation space can be increased to simulate more realistic flight conditions.This paper analyzes the new flight simulator from kinematics and dynamics aspects.In addition,the flight simulator is simulated and analyzed based on the MATLAB/Simulink simulation system.The results obtained from the numerical simulations is planned to be used for the practical manufacturing and applications of the new platform.

结构动力学应用中若干基本概念的研究

结构动力特性被广泛应用于结构振动控制、结构可靠性设计和健康监测,由此涉及到一些动力学基本概念的理解问题尚待深入探讨。采用一简支梁横向振动算例以及分别通过模态位移法和模态加速度法对多自由度系统的响应振幅进行分析计算,探讨结构位移响应与第一阶固有频率的关系、结构各阶位移模态的贡献与模态应变能的关系。基于模态正交性,通过分析多自由度振动系统的位移响应,论述了系统共振的必要条件,即在保证系统振动频率(某阶固有频率)等于激励频率的同时,其位移响应还应呈现出相应模态的形态;实现多自由度系统纯模态共振,可用于精确识别结构的模态参数。

波长可调的量子点纠缠光源(特邀)

可按需产生纠缠光子对的量子光源是光量子网络中的重要组成部分。半导体量子点可确定性地产生高纠缠保真度的光子对。基于量子点构建量子网络所需的量子中继单元时,需要多个发光波长一致的高质量纠缠光源。然而量子点形貌、组分和应力的不均一性严重限制了基于量子点的量子中继器的可扩展性。国内外研究团队发展了多种量子点生长后调节技术,成功调节量子点精细结构劈裂并通过联合多个调节自由度实现多维度的调节。本文综述了目前联合多个调节自由度实现发光波长和精细结构劈裂均能调控的实验方案,总结了不同方案的调节方法和研究现状,并介绍了将量子点与光学微腔相结合通过Purcell效应能进一步提升纠缠光源的性能。最后,对该领域的未来发展进行展望。

基于磁耦合谐振的多自由度电机无线电能传输

针对多自由度电机无线电能传输中传输效率较低的问题,提出基于磁耦合谐振的多自由度电机无线电能传输方法。该方法根据共振原理构建磁耦合谐振式无线电能传输模型,通过反射系数描述阻抗匹配状态,获取最佳负载阻抗;采用混沌优化算法优化电机线圈损耗率,实现多自由度电机无线电能传输优化。实验结果表明,应用该方法后,多自由度电机的电能输出功率达到了893 W,传输效率提升了0.10以上,提高了电能输出功率和传输效率,方法有效,具备可行性。

多自由度四臂动物离心机设计与研究

针对当前动物离心机的局限性,设计了一种多自由度四臂动物离心机,用于航空航天医学实验。利用运动学对动物离心机进行运动分析;采用SolidWorks软件对动物离心机进行了建模;为提高动物离心机的结构稳定性,建立了有限元模型,对静止支撑结构进行了模态分析;利用动力学分析确定了动物离心机的驱动功率,并通过运行调试,验证了动物离心机工作稳定性。研究结果表明,多自由度四臂动物离心机确保了可靠性和安全性,满足实验要求,验证了设计方案的可行性。

多自由度振荡浮子装置波浪爬升特性试验与数值模拟

增加振荡浮子式波浪能发电装置的自由度可以拓宽设备的捕获频带,从而有效地提高其捕获效率,但这也意味着浮子与波浪间的作用过程更加复杂,产生的波浪爬升等非线性现象不容忽视,严重时甚至会发生越浪从而降低浮子装置的使用寿命和效率.本文开展了规则波作用下多自由度浮子迎浪侧波浪爬升特性的物理模型试验,对单自由度运动和多自由度耦合运动的浮子上的波浪爬高进行了比较,以分析在有无动力输出装置(power take-off,PTO)阻尼条件下自由度之间的相互作用效应,并使用数值模拟分析耦合运动浮子周围的流场分布.结果显示,增加自由度可以导致没有PTO阻尼的浮子上的波浪爬高显著降低,有效降低越浪风险.对于有PTO阻尼的多自由度振荡浮子,增加垂荡方向上的PTO阻尼力对波浪爬升有很大影响.三自由度耦合运动浮子能更好地利用波浪能并具有更好的安全性.

社区尺度斜入射波场下场地-建筑群耦合作用模拟方法

场地-城市相互作用(site-city interaction,SCI)效应会显著改变场地地震波场分布及建筑反应,基于SCI效应理论计算研究方法的发展现状,发挥谱元(spectral element,SE)法可快速高效求解三维地震波场传播和多自由度(multi-degree of freedom,MDOF)模型计算量小且可同时模拟大量建筑的优势,同时,结合频率波数域(frequency wave number analysis,FK)方法,以等效地震荷载的方式施加地震波场,建立了FK-SE-MDOF耦合方法,实现了SE-MDOF耦合模型中多种波型(P波、SV波和SH波)的斜入射输入,解决了当前三维SCI效应研究方法中未能同时考虑建筑非线性、频谱特性、地震波波型及入射角度影响的问题。首先对方法原理进行了介绍;然后,通过与振动台试验的对比,验证了方法的正确性;进而,采用该方法建立理想场地-城市建筑群相互作用耦合模型,主要探讨了入射角度和地震波波型对SCI效应的影响,得到了一些有益结论。该方法较为真实地反映SCI效应影响的同时,可反映建筑基础轮廓对地震波场的影响,适用于需考虑建筑轮廓信息的社区尺度SCI效应研究,可为城市规划、抗震设计、风险评估以及震后救援等工作提供定量指导。

多自由度机械臂关节角度自动控制方法设计研究

为解决目前机械臂运动轨迹控制与精度补偿中的问题,提出了一种多自由度机械臂关节角度自动控制方案.在对多自由度机械臂的连杆和关节部位的运动过程进行动力学分析的基础上,结合梯度下降法和人工神经系统,提出了能够实现对机械手臂连接部分和控制部分自动控制的策略,建立了针对多自由度的机械臂关节的角度控制模型.实验证明,所提出的控制策略能够很好地控制机械臂关节角度,并且能够很好地跟踪机械臂运动轨迹,有效提高了机械臂抓取精度,抓取精度达到了96%.

新型双体波浪能转换装置多自由度耦合水动力特性研究

提出一种新型双体波浪能转换装置,其主体由浮标和可调节质心的摆体构成。利用AQWA进行频域仿真,获取装置的水动力参数,建立含黏性项的多自由度耦合的时域模型,并将水动力参数代入模型,分别开展规则波、不规则波的仿真,研究质心位置、PTO(power take-off)阻尼对装置性能的影响,最终根据真实海况划分若干不规则波并分别开展仿真,研究装置在真实海况下的发电性能。结果表明,装置可通过调节配重位置在不同周期的波浪中高效发电,且装置在小波高情况下也可以有效利用波浪能量,具有持续的发电能力。

基于谐振改进型单自由度自抗扰控制器的PMSM转速波动抑制策略

高性能系统期望电机输出平滑且稳定的转速。然而,永磁同步电机驱动系统的转速环遭受多源扰动影响,导致电机输出转速呈现非周期和周期波动。为了抑制转速环中多源扰动,该文提出一种谐振改进型单自由度自抗扰控制器(active disturbance rejection controller,ADRC)。单自由度ADRC保留了传统ADRC对非周期扰动的抑制能力。在此基础上,该文采用准谐振控制器拓展单自由度ADRC观测器在特定频率处的带宽,以进一步提高单自由度ADRC对周期扰动的抑制能力。因此,所提方法可以同时抑制转速的非周期和周期波动进而提高转速的控制性能。此外,该文利用Nyquist稳定判据分析所提方法的稳定性。最后,通过实验验证所提方法的有效性。

子母无人机多体分离气动特性模拟

子母机多体分离过程中气动干扰特性的分析是集群无人机发射技术的重要研究方向。基于动态嵌套非结构多面体网格技术,耦合求解流场非定常N-S方程与刚体六自由度运动方程,实现了子母机多体分离过程的精确模拟。首先,对母机的气动干扰区和子母机的分离方式进行分析,其次,计算得到整体状态时子母机以及子机与子机之间的气动干扰特性,最后,根据多体分离过程中子机运动状态的变化情况,进行安全特性评估。研究结果表明:相对于减速分离,加速分离能够快速脱离气动干扰区,安全性更高,并且随着子机数量的增加,子机机翼的距离不断减小,在一定程度上减弱了子机的翼尖涡对翼面的影响,增大了子机的升力。

DMANet:针对空间非合作目标位姿估计的密集多尺度注意力网络

利用单目相机对空间非合作目标进行准确的姿态估计对于空间碎片清除、自主交会和其他在轨服务至关重要。然而,单目姿态估计方法缺乏深度信息,导致尺度不确定性问题,大大降低了其精度和实时性。本文首先提出了一种多尺度注意块(Multi-scale attention block, MAB),从输入图像中提取复杂的高维语义特征。其次,基于MAB模块,提出了空间非合作目标6自由度位姿估计的密集多尺度注意网络(Dense multi-scale attention network, DMANet),该网络由平面位置估计、深度位置估计和姿态估计3个分支组成,通过引入基于欧拉角的软分类方法,将位姿回归问题表述为经典分类问题。此外,设计了空间非合作目标模型,并利用Coppeliasim构建了姿态估计数据集。最后,与其他最先进的方法相比,在SPEED+、URSO数据集和本文数据集上全面评估了所提出的方法。实验结果表明,该方法具有较好的姿态估计精度。

直线旋转开关磁阻电机的轴向速度控制与快速轴向定位

目前直线旋转开关磁阻电机(Linear-rotary switched reluctance motor,LRSRM)只可实现轴向定位控制,两自由度运动方式较为单一。为提高LRSRM轴向控制性能,本文提出了一种轴向速度控制方法,通过线性位置/速度观测器协调控制转子的轴向位移和轴向速度,由转矩与轴向力的数学模型解算出转矩及轴向力绕组的给定电流,再将其分配到对应的绕组导通区间,分别进行电流滞环控制。该方法可以有效调节转子在旋转过程中的轴向定位速度。仿真和实验验证了所提方法的控制效果。

柔性齿轮运动特性及其振动抑制性能的实验研究

在三缸发动机平衡轴齿轮传动系统的传动过程中,存在着较大的振动和噪声问题,为此,提出了一种附加阻尼环的齿轮传动系统刚柔耦合模型,对柔性齿轮结构的运动特性及其振动抑制性能进行了实验研究。首先,采用集中质量法,建立了考虑齿轮间隙和时变啮合刚度的附加阻尼环6自由度齿轮传动系统的弯曲-扭转模型,利用石川公式计算出了柔性齿轮的时变啮合刚度,对比了有无阻尼环的齿轮系统的振动响应;然后,搭建了专门的齿轮传动系统测试设备,测试了不同转速下钢齿轮和柔性齿轮的加速度和噪声峰值;最后,设计了激光位移试验台,对比分析了不同转速下齿轮的微抖动,对柔性齿轮的减振效果进行了测试,并验证了理论模型的正确性。研究结果表明:当转速为1000 r/min时,钢齿轮和柔性齿轮的最大加速度信号分别为35.58 m/s^(2)和20.37 m/s^(2);当齿轮转速为4000 r/min时,柔性齿轮的阻尼效果最佳,加速度峰值降低了45.23%,噪声峰值降低了39.06%;钢齿轮的微抖动幅值明显高于柔性齿轮,两者的变化趋势相似。柔性齿轮能有效抑制轮齿微抖动振幅曲线的不平滑、毛刺现象,从而增强了三缸发动机平衡轴系的稳定性。

空间引力波探测望远镜多自由度形变测量方法解耦研究与噪声分析

空间引力波探测望远镜是引力波探测卫星的核心载荷之一,它同时对传输光束进行扩束和缩束。光程稳定性是望远镜的核心指标之一,其与望远镜结构稳定性密切相关。为了满足引力波探测任务对望远镜提出的超高光程稳定性和结构稳定性要求,必须对望远镜结构形变测量进行研究。本文开展了对空间引力波探测望远镜多自由度形变测量的研究,重点解决多自由度测量的耦合问题,并对误差来源进行详细分析。在空间引力波探测望远镜的研制阶段,该测量方法的研究有望满足望远镜多自由度形变测量的需求,为望远镜设计提供多自由度形变的数据反馈,为望远镜光程稳定性研究提供指导。

基于冲击振动时延特性的异响源识别研究

异响影响汽车的整车NVH性能,汽车异响主要为冲击异响,识别冲击异响源对解决整车NVH性能问题有着重要意义。这里首先介绍了一种求解带阻尼多自由系统的强迫振动响应计算方法。然后利用带阻尼的五自由度质量弹簧系统介绍了冲击振动时延特性的定义,研究了质量、刚度以及阻尼对时延特性的影响。接着分析已知冲击振动源的实验数据,验证了其时延特性。最后,应用冲击振动时延特性,成功找到了某型号新下线车辆的坏路冲击异响源。因此,利用冲击振动的时延特性能寻找冲击异响源是一个行之有效的方法。