大型球罐壁面除漆机器人设计与实验研究

为解决大型球罐压力容器表面三层高强度环氧漆打磨问题,设计了一款大型球罐壁面除漆机器人,并对其开展了实验研究。机器人主要包括爬壁吸附系统和自适应打磨系统。通过对海尔贝克阵列永磁体研究,仿真分析履带结构永磁体吸附力与工作间隙的关系,研发了一款吸附稳定、越障性能优越的爬壁吸附系统;针对弧形壁面打磨情况,设计了一款基于电流反馈的自适应打磨系统,并分析金属丝打磨辊力学模型,研发多样金属丝打磨辊。对机器人进行测试,打磨效果良好,机器人可以对环氧漆打磨并露出金属光泽,且是人工打磨效率的3~10倍。该研究为球罐高强度环氧漆打磨提供了新打磨工具,保证了打磨质量,提高了打磨效率。

连续型机器人运动学的平面圆弧法建模与实验研究

针对当前连续型机器人的运动学逆解求解复杂、低效这一问题,提出了一种基于平面圆弧法的运动学建模方法,其具有运动学逆解求解简单、高效的特点。利用该方法在平面内拟合连续型机器人的弯曲运动形状,建立其运动学模型,分析其驱动空间、关节空间和操作空间的映射关系,并描述其工作空间。分析连续型机器人在平面内弯曲形状的几何约束,建立关节空间变量之间的数学关系,降低求解复杂逆运动学问题的难度。对机器人末端执行器的位置和驱动线长度变化曲线进行仿真分析,求解逆运动学的有效解,并研制原理样机进行样机实验,实验表明该运动学模型的正确性以及逆运动学求解方法的有效性。

电化学富集-激光诱导击穿光谱(LIBS)法测定水中铀元素

为改善激光诱导击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)检测液体样品时遇到的液体飞溅、等离子体猝灭和稳定性差的问题,结合电化学富集方法,以KCl为电解质,石墨棒为阴极,开展了水中铀(U)元素的LIBS检测研究。选择UⅡ367.007 nm、UⅡ409.013 nm作为分析对象进行定量分析,着重研究了富集电压、KCl质量浓度、激光脉冲能量、激发方式等对铀元素特征谱线强度的影响规律,并通过扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析(EDS)对石墨棒表面吸附元素的空间分布进行了分析。结果表明,最佳富集电压为1.6 V,适当的电解质KCl质量浓度可以提高铀元素的富集效率和富集均匀性,提高激光脉冲能量与采用光电双脉冲激发方式能增强铀元素特征谱线的强度并提高信噪比。在光电双脉冲激发下,对水中铀元素进行了定量分析,获得UⅡ367.007 nm、UⅡ409.013 nm的检测下限分别为25.89和15.00μg/L,相关系数均大于0.98。方法可为水体中放射性核素含量调查、生活饮用水铀污染现状以及核工业含铀废水监测等场景提供技术支持。

双级无衍射光束的生成理论与实验研究

为进一步完善多级无衍射光束的传输与变换理论,拓展双级无衍射光束的应用范围,根据轴锥镜法和菲涅耳衍射理论对双级无衍射光束的光场分布做了详细理论分析;基于轴锥镜法搭建生成双级无衍射光束的实验平台,获取了沿光轴传输至不同距离处的截面光斑及其光强分布,探究了平行光束不同入射倾角对无衍射光束传输变换的影响.实验结果表明:双极无衍射出射光场由四个区域组成,在干涉重合区其光强为一、二级轴棱锥出射场的耦合叠加,其余区域仍保持单级无衍射光束的传播特性,其光强大小受轴棱锥透镜的入射光阑与透镜底角影响,光斑破裂程度与平行光束的入射倾角呈正相关.本文对双极无衍射光束的空间传播特性、光强分布特性、光强影响因素等做了详细分析,对拓展多级无衍射光束的应用具有指导意义.

适应于水下抓取作业柔性臂的设计与试验研究

传统关节式水下作业机械臂存在作业灵活性受限、控制复杂等不足,为此,文中提出并研发了一种适应于水下作业、柔索驱动的柔性机械臂。通过采用对角线耦合轮系驱动,实现了一个电机控制两根驱动钢丝,并减少实际所需电机的数量;采用几何分析法建立了柔性臂驱动绳长、关节弯曲角度与末端位姿的运动学关系,并建立柔性臂运动学模型;采用MATLAB软件进行手臂运动仿真,得到柔性臂的仿真姿态与工作空间;通过ADAMS软件对柔性臂进行运动仿真,验证了算法的可行性,确定了手臂关节的最优尺寸。制造出实物样机,对其手臂动作灵活性、柔顺性进行测试,完成了气密性试验和水密性试验,并成功在水下环境对目标物进行抓取,验证了柔性臂机械系统结构的可靠性和可行性。该柔性臂不仅能满足水下环境抓取作业需求,还可以应用于各种受限空间、危险场景的抓取和检测作业。

基于深度学习的焊缝视觉跟踪方法研究

针对爬罐机器人在球罐上对焊缝的识别和跟踪困难导致焊缝检测效率低的问题,自制了罐体表面焊缝数据集,并提出了一种基于深度学习的焊缝视觉跟踪方法。首先,以Patch Expanding替换双线性插值作为上采样方法,减少上采样带来的精度损失;然后,在掩码分割前嵌入了递归空洞自注意力机制,提高模型的表征能力,从而获得更好的分割精度;最后,在罐体表面焊缝数据集上进行实验,实验结果表明,对比原始模型,改进SegFormer图像语义分割模型的平均交并比提高了2.41%。在改进算法分割焊缝的基础上,利用分割出的焊缝掩码图像提取中心线作为焊缝路径,用于引导爬罐机器人运动,以实现焊缝视觉跟踪。

双线通信供电接口设计技术

航空站、无人机及各种大型航空装备正常运行时,都需要加装许多不同种类的传感器进行实时监控。为了监测稳定,传感器之间采用有线通信方式仍然占据主导地位。由于目前有线通信至少需要四根线,即一对电源和一对通信线,当传感器数量增多时,布线走线问题就成为了限制监测指标的重要因素。因此,本文提出了一种基于双线通信和供电一体的接口设计方法。实验表明,本文设计的双线通信供电接口在满足为各个传感器供电的基础上也能通过485等差分总线很好地完成通信,且支持的最大传感器数量理论上超过100个。

基于多判别参数混合方法的散乱点云特征提取

针对以往散乱点云特征提取算法存在尖锐特征点提取不完整以及无法保留模型边界点的问题,提出了一种多个判别参数混合方法的特征提取算法。对点云构建k-d tree,利用k-d tree建立点云K邻域;针对每个K邻域计算数据点曲率、点法向与邻域点法向夹角的平均值、点到邻域重心的距离、点到邻域点的平均距离,据此四个参数定义特征阈值和特征判别参数,特征判别参数大于阈值的点即为特征点。实验结果表明,与已有算法相比,该算法不仅可以有效提取尖锐特征点,而且能够识别边界点。

新型多功能越障机器人设计与功能仿真

设计了一种具有平面内3自由度全方位移动,并且能够被动自适应越过轮子直径1.5倍垂直高度障碍的机器人。该机器人采用六个独立驱动轮控制。车身上采用四个Mecanum驱动轮矩形布置,使越障机器人具有平面内的全方位移动功能。前、后轮采用全向轮,使其能够在原地转弯和横向移动时候与地面保持滚动状态,减少轮子滑动摩擦。运用MATLAB软件对其前轮子中心坐标编程,找出其运动轨迹,并优化越障四连杆设计尺寸大小。最后对整个机器人系统在平面内的直行、横行、原地转弯、爬楼梯以及起伏路面运动等功能进行了虚拟样机系统仿真验证。仿真结果表明:该越障机器人机构设计合理,具有全方位移动和越障功能强的特点。

TheoJansen仿生腿研究及其机构优化设计

通过基于标准Theo Jansen仿生腿(Jansen-leg)机构研制出的小型仿生机器人实物样机的性能测试,发现该机构存在足端运动轨迹单一、地形适应性差等不足之处,针对此进行Jansen-leg机构的系统优化与革新设计。将双边测量中的距离方程应用于标准型仿生腿的运动学建模,作为机构优化中动态变换点的运动学分析的理论依据。通过可重构的优化设计方法,得到了能够适应趾行、避障、泥地、攀爬等运动的诸多新型足端运动轨迹模式。受到优化设计过程和结果的启发,在继承Jansen-leg机构优点的同时对其进行机构革新设计。设计的新机构不但具有很好的越障性、通过性、足端运动轨迹模态多样性,还具有控制简单、关节运动协调性好等诸多优点。提高了该机构对非结构地形环境的适应性,拓展了该机构的应用范围。

导电炭黑微观结构及其应用性能

以乙炔炭黑、副产炭黑和炉法导电炭黑为研究对象,较为系统地分析了与导电炭黑应用性能密切相关的微晶结构、表面性质、颗粒形貌和粒度分布特征,探讨了导电炭黑微观结构对应用性能的影响。研究结果表明,导电炭黑的微观结构决定了其应用性能,而决定应用性能的关键在于其与基体材料的匹配性。副产炭黑在橡胶和塑料中导电性能较好,乙炔炭黑在锂离子电极材料中的导电性能较好。

用于ICF的三种典型光学玻璃的AFM纳米划痕行为研究

本文作者通过原子力显微镜,以球形金刚石针尖作为对摩副,在大气环境下对磷酸盐激光玻璃、K9光学玻璃、熔融石英玻璃三种用于ICF系统的典型光学玻璃的纳米划痕行为进行了定量研究.结果表明:随着载荷的增加,三种玻璃的摩擦系数均表现为先保持恒定再剧烈上升的变化趋势.这是由于随着载荷的增加,摩擦机理由界面摩擦主导逐步转变为犁沟摩擦和界面摩擦共同主导所致.在相同的法向载荷作用下,磷酸盐玻璃的摩擦系数最高,K9光学玻璃次之,熔融石英玻璃的摩擦系数最小,这与三种玻璃的机械性能以及它们的表面亲水性密切相关.在相同的载荷下,磷酸盐玻璃和K9玻璃的划痕损伤表现为材料凹陷和堆积并存,而熔融石英玻璃的划痕损伤仅表现为划痕区域明显的凹陷变形.在所有载荷下,熔融石英玻璃的划痕残余深度均略高于磷酸盐玻璃;K9玻璃在低载时的划痕深度在三种玻璃中最大,中载时居中,而高载时最小.不同载荷下玻璃表层的机械性能、塑性流动方式以及其致密化程度都将对最终的划痕残余深度产生影响.

一种风能供暖系统及其新型压缩机的研究

针对目前燃煤锅炉供暖污染严重的问题,提出了一种利用风能供暖的系统,并对该系统的工作原理和储能实例进行了阐述;考虑到风能的不稳定,提出了利用高压压缩空气进行储能并对储能容积进行了计算。针对目前柱塞式压缩机效率低的问题,对液体活塞式压缩机和列管式换热器进行集成创新,提出了一种新型高效换热及热能再利用的压缩机,并对该压缩机的工作原理和节能效果进行了分析,说明了该新型压缩机具有较高的效率。用FLUENT软件对该压缩机进行了仿真,说明了该压缩机可以实现近似的定温压缩过程。利用该新型压缩机,能有效提高压缩机的效率和系统整体效率。

新型仿生猎豹机器人的机构设计与功能仿真

设计了一款新型仿生猎豹机器人的机械运动结构,该结构设计采用汽油机提供原动力,通过液压系统驱动各个关节运动。并运用D-H齐次坐标变换矩阵建立其腿部关节的运动学方程。Pro/E软件建立猎豹机器人的三维模型。基于ADAMS虚拟样机技术对该仿生猎豹机器人进行了腿部关节的优化仿真设计,以及平面路面行走,奔跑跳跃障碍能力的仿真分析。仿真结果表明该仿生猎豹机器人机构设计合理,运动稳定可靠,具有直线、转弯行走能力和奔跑跳跃障碍能力好的特点。

新型内循环数字液压缸系统设计及仿真研究

为进一步简化传统液压系统结构、提高工作效率,设计了一种将动力元件、执行元件和控制元件有机集成的完全一体化的内循环数字液压缸系统。分析了系统的工作原理,确定了系统的各种参数;并建立了系统的仿真模型,运用AMESim软件平台进行了仿真研究。研究表明:该系统在空间、重量受限的场合有较大的优势,可适用于低速、中低压系统。

旋转圆盘表面油膜破碎转捩临界特性分析

高速滚动轴承内圈和保持架等旋转运动件表面润滑油膜的流动铺展以及破碎为油带和油矢的特性决定着轴承的润滑与冷却状态.在获得轴承旋转运动件拓扑结构—旋转圆盘表面油膜稳态流动特性的基础上,利用力学平衡和液体表面波不稳定破碎理论,建立表面油膜破碎转捩为油带和油矢的临界特性分析模型,分析和探讨了表面油膜的稳态流动特性以及供油量和润滑油物理特征参数对油膜破碎转捩临界特性的影响.结果表明:表面油膜沿着圆盘径向逐渐变薄,因与圆盘表面存在滑移现象,其流动速度也随之减小;表面油膜破碎的临界波数和临界半径随着圆盘转速的增高而增大,临界厚度则随之减小;表面油膜破碎的临界半径和临界厚度随着润滑油供油量的增加而增大;增大润滑油密度,将延缓表面油膜破碎,破碎临界半径增大,临界厚度减小;增大润滑油的黏度和表面张力系数将促进表面油膜破碎,破碎临界半径减小.与相关的试验结果对比验证了理论分析方法的正确性和可靠性.

基于Potrace点跟踪的文创产品逆向设计方法研究

目的为辅助设计人员进行产品创新设计,特别是针对文创产品设计领域提高设计效率和产品快速迭代的需求,利用产品逆向设计方法,对设计实物二维形态进行快速扫描,获取其外部形态轮廓数据,在此基础之上进行改良或者创新设计,对于快速生成产品创意和设计实践都提供了新的方法和思路。方法针对逆向设计中,轮廓提取细节缺失、弧度线条生硬问题,本文提出了一种基于Potrace点跟踪的图像矢量路径优化算法用于文创产品的数字化分析及逆向设计。此方法以点跟踪作为基础,先利用位图中的顶点将图像轮廓抽象成多边形路径,然后再根据多边形转角大小利用贝塞尔曲线进行优化,最后通过交叉熵损失函数优化最终路径。结果实验表明,算法在复杂边缘的矢量化线条过渡好于其他算法,并且算法与目前常见矢量化算法相比较降低了时间复杂度,算法运行时间较其他算法能够提升40%以上。结论针对Potrace方法,提出了一种新的损失函数优化算法,算法在复杂边缘处过渡优于其他算法,同时算法运行时间大大降低,有利于将此算法用于文创产品逆向设计方法研究中。

刺绣针法图样特征点提取及匹配方法研究

目前,在刺绣工艺的非遗数字化保护研究中,成品绣品图样的保护占据着重要的地位,但实际上刺绣文化的精髓不仅是在图案上,将针法与图样进行有机结合才能更好地传承少数民族文化特色,因此,寻找一种能够将绣品针法纹样特征进行提取和匹配的方法是刺绣数字化保护亟待解决的问题。针对这一问题,通过对目前常用刺绣针法和特征提取算法进行研究,提出了一种以导向滤波作为尺度变换函数的特征提取模型。此方法以传统尺度不变特征变换(SIFT)作为基础模型,将其中的高斯尺度变换函数以导向滤波尺度变换函数代替,加强边缘像素之间的算法响应程度,从而精确提取出针法纹样的关键特征点。实验表明,算法得到的图案关键特征点能够在图样的边缘部分得到很好的提取效果,同时匹配准确率平均能够达到88%以上,与SIFT算法相比提高了7%~25%。

高真空环境下高速深沟球轴承润滑性能分析

理论研究和工程实际表明,微小型高速深沟球轴承的润滑状态不仅影响其承载能力和可靠性,而且决定着分子泵的工作性能。本文针对微小型高速深沟球轴承这一特殊轴承在高速轻载条件下进行弹流润滑数值分析,求得其特征弹流解;并且通过计算不同速度参数下得到的最小膜厚,分析速度参数对最小膜厚的影响,为微小型分子泵轴承润滑性能优化提供依据。

一种新型膨胀机的研究与仿真

针对目前传统柱塞式膨胀机效率低的问题,对液体活塞式膨胀机和列管式换热器进行集成创新,提出了一种新型高效换热及热能再利用的膨胀机,并对该膨胀机的工作原理和节能效果进行了分析,说明了该新型膨胀机具有较高的效率。考虑气动系统效率远低于液压系统的问题,本膨胀机与液压马达进行组合,实现气动马达的功能,提高了系统的效率。用FLUENT软件对该膨胀机进行了仿真,说明了该膨胀机可以实现准定温膨胀过程。利用该新型膨胀机,能有效提高膨胀机的效率和系统整体效率。