一种新型双半球形胶囊机器人

为了实现食管、胃部和结肠等非结构宽裕环境内的介入诊疗作业,提出一种主被动模态双半球胶囊机器人,通过空间万向旋转磁场可控制两种模态相互转换,机器人采用被动模态实现"悬停"调姿,采用主动模态实现滚动行走。研究双半球胶囊机器人主被动模态转换机理,推导被动模态下"悬停"姿态调整力学模型与主动模态下滚动力学模型,确定胶囊"悬停"调姿稳定性条件,试验表明该双半球胶囊机器人可实现定点"悬停"调姿下的全景观察与沿弯曲环境滚动行走。双重作业模态分离关键技术的突破为构成集窥视、诊疗为一体的胶囊机器人系统,实现胃肠非结构宽裕环境内遍历检查与医疗作业奠定了基础。     

双半球胶囊机器人倾斜环境爬行性能研究

为了实现食管、胃部和结肠等非结构宽裕环境内的介入诊疗作业,提出一种万向旋转磁场驱动的主被动模态双半球胶囊机器人,机器人在被动模态下可实现肠道内定点悬停姿态调整,在主动模态下可实现肠道内的滚动行走。建立了胶囊机器人在主动模态下的爬行动力学模型,研究了机器人在倾斜环境下的爬行性能,仿真得到了机器人的不同系统参数下的最大爬坡角度,仿真结果为复杂环境下胶囊机器人运动学的研究奠定了基础。     

双半球型胶囊机器人弯曲肠道内视觉导航方法

为了实现主被动模态双半球型胶囊机器人在肠道内转弯行走,提出了一种视觉导航方法,首先利用动态调姿模态时胶囊轴线与万向旋转磁场轴线的同轴随动特性,并结合同一俯仰角和两个不同侧摆角下单目摄像头所拍摄的两幅无线传输图像确定摄像头的姿态,然后在摄像机坐标系内提取摄像头对准弯曲肠道时图像的暗区质心像素位置,在万向均匀旋转磁场条件下结合摄像头的姿态信息,通过计算固定坐标系下弯曲肠道图像暗区质心的方位来确定胶囊的视觉导航方位,最终确定胶囊转弯滚动磁场轴线方向,以便实现胶囊在肠道内的视觉辅助导航作业。试验证明该方法可用于胶囊导航,不需要附加传感装置,胶囊结构紧凑,为实现胃肠环境内遍历检查与医疗作业奠定了基础。     

双半球胶囊机器人滑滚驱动机理

为实现双半球胶囊机器人的精准移位,胶囊必须具有慢速移位控制功能。然而,低转速的双半球胶囊慢速运动时,容易受到胃肠凸凹表面的干扰,胶囊姿态稳定性差,精准移位控制困难。为此,提出流体环境内胶囊滑滚驱动控制策略,即通过流体环境内胶囊的高速空转解决姿态稳定控制问题,并利用滑滚运动实现胶囊慢速精确移位。以低雷诺数流体理论和弹流润滑理论为基础,计算双半球胶囊在胃壁表面滑滚运动的流体力和力矩,建立滑滚驱动动力学模型,对胶囊滑滚速度特性进行分析。仿真及实验表明：低雷诺数流体环境下利用滑滚驱动策略实现双半球胶囊慢速稳定移位功能切实可行,滑滚速度可通过改变控制参数实现精确控制,显著提高了胶囊移位精度。研究为借助流体环境改善胶囊的动态性能提供了理论依据。     

基于HJI理论的双半球胶囊机器人姿态非线性控制方法

考虑到自主研发的双半球胶囊机器人系统不确定性以及外界扰动等非线性特征问题,提出了一种基于Hamilton-Jacobi不等式(HJI)理论的双半球胶囊机器人滑模鲁棒非线性控制策略.通过拉格朗日动力学原理建立双半球胶囊机器人被动模态的动力学模型,并将Hamilton-Jacobi不等式理论应用于设计滑模鲁棒的控制律来确保控制系统的稳定性.此外,通过Lyapunov方程验证了该双半球胶囊机器人基于HJI理论的滑模鲁棒控制系统的有效性,并对所设计的控制器进行了仿真实验,仿真和实验结果表明所设计的控制策略能有效地抑制外部干扰对控制误差的影响,提高了双半球胶囊机器人系统的控制精度.     

胶囊微机器人在离体生物环境下的力学实验研究

介绍了一种新的旋转磁场驱动胶囊微机器人运动的方法。旋转磁场由阵列永磁体自转产生,胶囊微机器人具有螺旋表面并内嵌条形永磁体。设计了相应的实验装置,在由二甲基硅油配置的特定粘度的模拟生物体液和离体猪小肠内进行了实验。实验结果表明:在阵列中心区域能够得到大小连续的、转动速度可调的旋转磁场,其转动方向与永磁体转动方向相反。在阵列直径确定后,磁场强度几乎与阵列磁体数成正比。在粘液中,胶囊机器人直径、运动速度以及粘液粘度共同决定需要的外部磁场强度以及胶囊机器人运动时受到的阻力矩。对于能在离体猪小肠中自由旋进的螺旋胶囊微机器人,其受到的阻力小于0.2N,阻力矩小于2.6mN.m。旋转磁场对于样品产生的驱动力矩因样品不同最高可达到3.2~4.5mN.m,能够驱动直径合适的螺旋表面胶囊微机器人可靠地实现前后运动。     

肠道胶囊机器人的转向随动力学模型

为了实现旋进式胶囊机器人在充满黏性液体弯管内的无碰撞转弯行走,提出一种离散逼近的空间万向旋转磁场控制策略,采用与机器人相连的赖柴坐标系确定机器人的姿态,建立旋转磁场与机器人内驱动器耦合所产生的空间磁力矩模型和弯管液体环境对机器人转弯运动响应的流体力矩模型,对转弯过程中磁力矩和流体力矩的动态响应特性进行理论研究。结果表明在转弯过程中外旋转磁场使机器人发生随动效应,流体力矩使磁力矩诱导的摆动响应迅速衰减现象有利于机器人在弯曲环境内的非接触式驱动。     

点接触纯滚动被试轴承球润滑性能研究

润滑工况是滚动接触疲劳寿命的主要影响因素之一,而润滑剂、接触形式等因素都对润滑状态有所影响。采用新研制的三点接触纯滚动轴承球加速疲劳试验机,研究了被试球钢球和陶瓷球在润滑油N32润滑下的润滑性能,并计算了最小油膜厚度及润滑膜参数,分析了润滑状态。结果表明,所用的润滑油N32是合适的,被测试的钢球和陶瓷球工作在弹性流体动力润滑(EHL)状态。分析结果为钢球和陶瓷球的对比滚动接触疲劳性能试验提供了理论基础。     

新型肠道胶囊式微型机器人的运动特性

提出一种胶囊微机器人的外旋转磁场驱动方法,原理是以径向磁化瓦状多磁极构成的圆筒形NdFeB永磁体为外驱动器,以胶囊微机器人内嵌同磁极结构NdFeB永磁体为内驱动器,通过外驱动器旋转产生旋转磁场的磁机耦合作用,形成内嵌驱动器对胶囊微机器人的驱动力矩,在胶囊表面螺旋与流体形成的动压力作用下,实现胶囊微机器人在肠道内旋进。首先介绍胶囊微机器人系统的结构,然后根据雷诺和Navier-Stokes方程建立管道环境内胶囊微机器人的运动数学模型,对其螺旋参数与速度的关系进行理论与试验研究,并发现了临界间隙现象。试验表明,该胶囊微机器人具有驱动力矩大、适合大粘度液体封闭管道内行走等特点,在人体肠道和血管内具有很好的应用前景。     

基于双平面方式下陶瓷球抛光均匀性研究

为了获得陶瓷球超光滑加工表面,提出一种新型的球体双平面抛光方法,通过使球体在上、下软质抛光盘面之间不断的自旋和滚动实现球面均匀抛光。通过建立球体运动模型和使用Matlab仿真软件对陶瓷球双平面抛光方法进行优化分析,研究表明影响球面轨迹均匀性的球体自转角变化范围和自转角速度的变化主要由行星轮保持架与抛光盘的转速比m、保持架中心到抛光盘中心的偏心距与球体球心到保持架中心的孔心距比n决定。同时使用双平面抛光设备对氮化硅陶瓷球进行抛光20h,表面粗糙度从15.95nm下降到3.90nm,球上各点粗糙度值相差1nm左右,证明了陶瓷球双平面抛光方法的有效性。     

基于DD-HSMM的设备运行状态识别与故障预测方法

针对设备运行状态识别与故障预测问题,提出一种基于时变转移概率的隐半Markov模型。该模型将设备历史运行信息融人Markov状态转移概率矩阵的估计过程中,使Markov状态转移概率矩阵具有时变特性。基于改进前向后向算法研究了相应的隐半Markov模型参数估计方法,使其能够不断综合利用历史运行信息进行自我更新,以更加符合设备真实运行的过程。同时以该模型为基础,利用故障率方法建立了对设备剩余使用寿命进行预测的基本步骤。通过某滚动轴承运行状态识别实例演示了该模型的建模过程,证明了基于该模型的设备状态识别与预测方法比传统隐半Markov模型方法更为有效。     

可折叠双三角锥滚动机构

提出一种新概念的滚动机构,可通过折叠机构的变形,在展开状态下的双三角锥和折叠状态下的椭球体两种外部形态之间进行转换,并相应具有两种滚动模式。在双三角锥形态下,机构通过外形的变化实现滚动,并以偏心质量块驱动方式进行转向的控制;在椭球体形态下,机构运用偏心质量块驱动方式进行直线方向上的滚动。在机构设计上,折叠机构通过1个自由度实现了移动功能的同时减少了存放时所需的空间。通过自由度分析,机构需要三个驱动电动机来实现其所具有的功能。以运动学计算为基础分析双三角锥形态下的翻滚条件并规划滚动步态。建立仿真模型,验证该机构能够完成折叠/展开的动作,并能够按照步态规划进行滚动。制作一台样机,对其进行折叠/展开方式与滚动功能的可行性验证,实现了预期的结果。     

WS2固体润滑膜轴承试验分析

在水介质中对内、外圈沟道表面均溅射有WS2固体润滑膜的2套深沟球轴承6214(1套轴承滚动体为钢球,另1套轴承滚动体为陶瓷球)分别进行了试验。试验后分解检查发现,2套轴承的滚动体表面虽然都形成了WS2转移膜,但钢球表面的WS2膜优于陶瓷球表面的WS2膜。     

滚动球式医疗服务型机器人动力学建模与仿真

针对当前医疗服务型机器人运动不灵活、稳定性差等问题,设计了一种滚动球式医疗服务型机器人,该机器人在结构设计上增加了瞬时失电保护装置,有效的提高了机器人在启停及制动状态下系统的稳定性。采用Lagrange-Routh方程建立滚动球式机器人系统的动力学模型,通过引入Lagrange乘子能够很好的解决滚动球式机器人系统的非线性、非完整性等问题。最后,利用MATLAB/SIMULINK软件对所建立的动力学模型进行了仿真分析,结果表明,所建立的动力学模型是准确的,为后续结构优化和控制系统的设计提供了理论依据。     

沿全局最优路径滚动避障的车间机器人导航研究

为了减少机器人在车间工作时的路径长度、提高行驶安全性,提出了全局规划和局部滚动避障相结合的机器人导航方法。对车间静态环境进行全局路径规划,在传统蚁群算法基础上,在转移概率中引入节点被访问次数作为新启发因子、同时引进随机选择策略和"回退-惩罚"策略,从而提出了基于改进蚁群算法的全局路径规划方法。对车间动态环境进行局部滚动预测避障,分确定和不确定运动提出了碰撞预测和碰撞避免策略,实现了沿全局最优路径滚动避障行驶。经仿真验证,改进蚁群算法规划出的路径比传统方法缩短了42.3%;在车间动态环境下,机器人使用滚动预测避障策略可以沿着最优路径安全到达目标点,实现了机器人在车间动态环境下安全导航。     

一种半圆柱机体被动移动装置的动力学建模

设计了一种半圆柱机体被动步行装置,该装置无任何驱动器和控制器,通过与斜坡间的脱离、滚动、黏滞等接触状态的变换,能够周期性、稳定地走下斜坡。半圆柱机体被动步行装置的运动存在着多点摩擦、碰撞问题,难以准确确定足-地的瞬时接触状态。应用多体系统动力学方法建立了半圆柱机体被动步行装置系统的动力学模型,并从三维动力学仿真和原理样机试验两方面详细分析了半圆柱机体被动步行装置的运动过程,得到了相关运动和动力参数的变化曲线。模拟仿真与试验结果均表明,半圆柱机体被动步行装置运动周期可细分为5个过程,能够实现稳定周期性的被动行走,验证了动力学模型的正确性。     

线结构光测头外参数的精确标定方法

为了利用线结构光测头实现三维扫描测量,首先建立了将线结构光测头的二维测量数据转换为三维数据的变换矩阵;通过测量标准球确定球面上两圆弧之间的距离与测量机扫描轴的移动距离之间存在线性关系,使得线结构光测头能测量空间一固定点(标准球球心),从而确定了求解变换矩阵的“共轭对”;最后提出搜索寻优法,将3个旋转角度值在设定范围内以微小步长递增,利用每组具体角度将测量标准球的二维数据转换为三维数据并拟合球,以离散点到拟合球面的距离之和最小为寻优条件,与之相对应的三个旋转角为寻优目标。该方法标定过程简单,便于实际应用,试验结果表明,变换矩阵的求解具有很高的精度。     

支持车间计划滚动的物料工艺状态描述

基于目前多种管理软件中工艺状态描述方法的优缺点,针对企业因订单改变、物料供应短缺、加工过程中机器故障等原因造成物料加工中断,导致生产计划滚动和重排而出现停滞的现象,提出了基于16进制的物料工艺状态描述方法。通过建立物料工艺状态矢量,用该矢量确定工艺状态值,准确描述物料的工艺状态信息,实现了一道工序在加工过程中的中间状态描述,解决了因出现异常现象引起的生产计划重排的停滞问题,使车间生产计划的实时滚动达到准确可行。通过将物料工艺状态矢量进行分块处理,引入物料工艺状态域和物料域工艺状态值的概念,满足了实际生产中对物料工艺状态信息的完整描述,为企业科学管理物料和实时滚动车间作业计划提供了有效的技术手段。     

多点接触乏油弹流润滑模型及试验研究

为探讨多点接触乏油弹流润滑机制,基于球与滚道接触区域的排油和补油平衡,建立适用于不同润滑状态的油膜厚度计算模型,可以计算从充分供油、乏油到干涸乏油的中心膜厚以及油膜不平衡时中心膜厚随滚动次数的衰减。利用自制的球-盘接触光干涉弹流试验装置,通过安装双镜筒同时获取相邻球的油膜图像,研究多点接触中相邻球的轨道重合和不重合时前球尾迹对后球油膜图像和中心膜厚的影响。结果表明:乏油润滑条件下,前后球的轨道不重合时轨道之间可相互补油;前后球的轨道重合时,在给定供油条件下,随着滚动线速度增加,入口弯液面逐渐靠近接触区域,中心油膜厚度增加,与相同工况下乏油润滑模型计算的膜厚对比吻合较好,验证了所建乏油润滑模型的正确性。     

基于球面轴承的空气静压主轴设计

在分析空气静压球轴承工作原理的基础上,设计了气体静压对置双半球球面轴承.通过理论分析及计算确定了气体静压球轴承的尺寸,为了提高气体静压球轴承的性能,研究了其结构设计,提出一些改进措施.通过改进结构,有助于提高气体静压球轴承的承载力和刚度,消除加工装配误差的影响.