基于LIPM的机器人快速行走优化

针对双足机器人,在线性倒立摆模型(LIPM)的基础上,提出了无双足支撑阶段的机器人快速行走优化方法.该方法在当前单足支撑阶段中寻找合适的换足时刻,使前后单足支撑阶段的质心位置与速度相匹配,达到了消除双足支撑阶段,提高行走速度的目的.在NAO机器人上进行对比实验发现:采用优化后的行走方法,机器人行走速度得到了明显提升.     

被动行走中躯干对能量效率的影响

针对有躯干双足机器人的被动行走,以躯干对双足步行的影响为侧重点,采用Matlab仿真的方式建立了2个纯被动有躯干机器人模型,分别为腿部无质量模型和腿部有质量模型.研究了2个模型中不同躯干质量、躯干长度对步行能量效率的影响,并将这2个模型的结果与对应的纯被动无躯干机器人模型进行了对比.结果表明:在相同的步行速度下,无躯干的机器人比有躯干的机器人更省能,躯干质量越小、躯干长度越小,机器人步行越省能.即在双足被动行走中,躯干在能量效率方面起不利作用.     

基于虚拟模型的四足机器人控制策略

为提高四足机器人在对角小跑(Trot)步态下的行走稳定性,并减小控制策略的复杂程度,提出了一种基于虚拟模型的四足机器人控制策略;将四足机器人控制策略分为支撑相及机身运动控制、摆动腿相运动控制及足端轨迹规划三部分;在Trot步态下行走时支撑相中存在的前后对角支撑足,在分析四足机器人支撑足受力情况后,并添加相关的约束条件,实现了四足机器人足端力及力矩可控;并通过在四足机器人机身的质心位置添加相应的虚拟弹簧阻尼组件,实现了四足机器人姿态和高度控制;通过在摆动腿足端实际位置与环境之间添加虚拟的弹簧阻尼组件并结合足端轨迹规划实现了四足机器人柔顺行走以及足端轨迹跟踪精确性;通过Matlab和CoppeliaSim建立联合对比仿真验证了控制策略的有效性和优越性。     

基于零力矩点的四足机器人非平坦地形下步态规划与控制

为提升四足机器人在非平坦地形中的行走能力,根据零力矩点理论分析机器人行进过程的稳定条件,利用稳定裕度的概念,在支撑多边形中求取最优稳定点来规划零力矩点. 为避免walk步态中频繁调整躯干姿态导致的能耗和行进速度损失,提出了在次优支撑三角形中求取最优稳定点的方法. 针对斜坡地形中机器人运动性和稳定性的矛盾,设计了综合性能更高的躯干姿态和支撑点位置. 为适应不同坡度和躯干角度,通过对零冲击足端轨迹规划方法进行改进,实现了以目标支撑点为中心的斜坡零冲击规划目标. 仿真试验结果表明,该规划控制方法能够实现机器人在不同斜坡中的稳定行走.      

围压及孔隙水压对饱水砂岩能耗特征的影响

为研究含孔隙水压下岩石承载变形过程中的能量演化特征,基于有效应力原理推导出含孔隙水压下岩石承载变形过程中的能量计算公式.分析了围压和孔隙水压对岩石承载变形过程中能耗特征的影响,讨论了岩石输入能密度、弹性能密度和耗散能密度在扩容起始点和峰值点的差异,从能量耗散的角度解释了岩石扩容起始应力作为岩石长期强度参数的合理性.研究表明:岩样在扩容起始点和峰值点的输入能密度和弹性能密度与围压呈正线性关系,与孔隙水压呈负线性关系.岩样承载过程中的cd-c阶段的耗散能密度随围压的增大而增大,而孔隙水压的增大则导致该阶段耗散能密度的减小,其有效地弱化了岩石材料内部颗粒间的摩擦效应.此外,孔隙水压能量输入密度随岩样的体积应变变化,在高孔隙水压条件下,相同应力水平的各类能量输入密度的绝对值随孔隙水压的增大而增大.     

跳跃机器人浮动基动力学模型及试验

研究了平面腿型跳跃机器人浮动基动力学模型的建立、仿真及试验问题.将跳跃机器人模型抽象成由三根均质连杆组成的平面跳跃机构,建立3个坐标系研究跳跃运动的变约束性.分别对支撑相和腾空相的运动模型进行分析,建立了Lagrange动力学方程.由于支撑相足尖与地面满足Pfaffian约束,因此将机器人足尖平移坐标与关节变量统一作为广义坐标,建立显含力约束的跳跃机器人浮动基动力学模型.确定跳跃运动约束方程和相互识别条件.通过仿真和样机试验说明了跳跃机器人浮动基动力学模型的正确性.     

淤泥高温固结模拟试验与分析

为了减少淤泥对施工、环境以及工程安全方面的危害,特进行淤泥高温固结的模拟试验,以探究淤泥在高温条件下的固结规律。试验通过控制加热管温度与淤泥的含水率,进行只含有1个变量的对比试验,通过整理、分析各温度仪读数来研究加热温度以及含水率对加热效率的影响,通过整理、分析电能表读数来研究能量消耗情况。结果表明:单热源系统中,淤泥升温过程可分为初始升温阶段、低温维持阶段、高温升温阶段、高温维持阶段;含水率相同时,热源温度越高,相同位置的淤泥升高相同温度消耗的能量越多;热源温度相同时,含水率越高,相同位置的淤泥升高相同温度消耗的能量越多;淤泥导热性较差,含水率越低,其导热性越差。试验结果与规律分析可为解决具体施工过程中的淤泥处理问题提供参考。     

浮体绳轮波浪发电系统研究

海洋能获取及转换是波浪能发电系统的关键环节.合理的浮体结构和能量转换装置的设计将大大提高能量获取及转换效率.为提高波浪能利用率,降低波能转换装置成本,设计新型点吸收式波浪发电装置——浮体绳轮波浪发电系统.基于线性规则波理论及粘性阻尼理论,考虑浮体附加质量及附加阻尼影响,对浮体上升和下降阶段进行受力分析,分别得到了浮体上升和下降两个阶段的运动方程,推导出浮体完整的运动方程.利用数值计算得到浮体获取最优转换效率的阻尼系数C=10600N·s/m,然后通过水动力学频域及时域分析对数值计算结果进行了验证.理论分析及仿真过程为浮体绳轮波浪发电系统的研究和实际应用提供了理论基础.     

对仿猫跳跃机器人起跳过程中腰部作用的分析

家猫灵活善跳,分析其跳跃规律可为腿型跳跃机器人的设计提供灵感。以能模拟家猫跳跃的仿猫机器人为模本,对其进行结构简化并进行动力学和运动学分析,得到其腰部力矩随时间变化规律,以此分析其腰部在起跳过程中的作用。从能量角度分析起跳时腰部初始夹角与到达特定起跳姿态机构所需做功关系,并对比了有无腰部辅助跳跃时的区别。分析结果说明了腰部在起跳准备阶段的姿态调整对提高效率的作用,证明了有腰部辅助跳跃的机构相比于无腰部辅助跳跃的机构更加灵活高效。     

刚柔耦合在仿猫腿跳跃机器人中的功率放大作用

针对一种仿猫腿机器人机构的跳跃能力进行分析,以研究弹性蓄能原件在机构中形成的刚柔耦合作用对机构跳跃能力的影响.建立了机构的运动学模型,利用ADAMS软件对机构进行了跳跃仿真.对其分析表明,弹性蓄能原件在起跳时对机构可以形成较大的功率放大作用,显著提高机构的跳跃能力,不同部位的蓄能原件对跳跃能力的影响不同.对机构各关节的阻尼和刚度配置对跳跃能力的影响也做了仿真和分析.     

六自由度关节型工业机器人动力学优化

文章以动力学性能指标为优化目标,对六自由度工业机器人结构设计中的杆长、截面尺寸、质量和质心位置参数的优化设计方法进行了讨论;建立了六自由度机器人的刚体动力学模型,并对模型的计算精度进行了验证分析;在此基础上,以给定的某运动轨迹为例,对动力学性能优化进行了算例分析,并以机器人各驱动关节的峰值扭矩和能耗最小为动力学优化目标。算例结果表明,优化后各项动力学性能指标得到明显改善,腰部、大臂、小臂和腕部的驱动峰值扭矩能耗均有明显下降,验证了该文所述方法的有效性。     

具有柔性关节的四足机械腿设计与分析

为解决四足机器人驱动单元功率密度低的问题,借助串联弹性机构的能量放大作用,设计出一款具有串联弹性、适用于四足机器人腿部构型的电驱动柔性关节,并据此柔性关节设计制作了具有柔性特性的四足机器人单腿样机.为研究柔性机械腿能量运用情况,提出一种简化的柔性单腿跳跃模型,对单次跳跃过程中从屈膝静止到跳离地面过程建立了运动学微分方程,应用解析法进行求解,分析了串联弹性能量放大作用在足式机器人中的应用,同时通过分析驱动单元功率曲线,揭示了能量放大实现机理.利用足式机器人单腿垂直跳跃实验平台完成单腿样机跳跃过程的初步实验,验证了柔性在四足机械腿中的能量放大作用.     

普提500kV串补设备改造研究

主要研究盐源—普提线、米易—普提I线、米易—普提II线普提侧串补设备参数定值校核及具体改造措施。经过校核计算,盐源—普提线、米易—普提II线普提侧串补,各种区外故障时,普提侧串补不旁路,原MOV允许能耗值均满足要求,只需重新设定MOV电流、能量触发整定值,区内故障时,原MOV允许能耗值也满足线路区内故障最大能耗值,仅需对串补阻尼回路、火花间隙进行改造;而米易—普提I线普提侧串补,区内(外)故障时,MOV能耗均超过了最大允许能耗59.4 MJ,需对MOV进行扩容改造(方案2),本文经过系统分析计算,提出另外新的方案1,米易—普提I线在“米易—普提I线投运、盐源—普提线和米易—普提I线两条线投运”的2种运行方式下,发生一定区内(外)故障时,普提侧串补允许被旁路,除此2种运行方式外,其他各种内(外)故障不许被旁路,原MOV允许能耗值均满足要求,只需重新设定MOV电流、能量触发整定值,仅对串补阻尼回路、火花间隙进行改造,并且对此2种改造方案进行经济比较,方案1改造成本更经济合理,所以推荐采用。同时详细分析了串补阻尼回路、火花间隙、MOV最大允许能耗扩容改造实施方案。     

计入多个闭链影响的四自由度机器人动力学优化

文章以动力学性能指标为优化目标,对含多个局部闭链的四自由度码垛机器人结构设计中的尺寸参数优化设计方法进行了讨论;充分考虑多个局部闭链间的相互影响,建立了码垛机器人的刚体动力学模型,对模型的计算精度进行了验证分析;在此基础上,针对机器人典型的运动轨迹下的动力学性能优化设计方法进行了探讨,以机器人各驱动关节的峰值扭矩和机器人总能耗最小为动力学优化目标;优化过程中,计入杆件质量和质心位置的影响,并利用平方和加权法将多目标优化问题转变为单目标优化问题。算例结果表明,优化后各项动力学性能指标得到明显改善,腰部、大臂和小臂的驱动峰值扭矩降幅分别为8.35%、16.23%和10.45%,机器人总能耗降幅为9.78%,验证了该优化方法的有效性。     

非阻塞性颗粒阻尼加筋板振动功率流的研究

针对工程上常用的加筋板结构,推导出了加筋板振动方程,并用拉普拉斯变换法对方程进行了求解,从理论上分析了激励位置、肋骨和非阻塞性颗粒阻尼（NOPD）对板结构振动功率流的影响规律。理论分析和实验研究表明：NOPD能有效地抑制振动能量流的输入及峰值功率流,从而有利于降低板的噪声辐射;当肋骨数目一定时,激励位置靠近加筋板结构的边角、沿矩形板的长度方向加肋和选择比重较大的NOPD,均更有利于减少输入到结构中的能量流。研究结果为该类结构的结构优化设计和阻尼优化配置提供了重要的理论依据。     

建筑物顶端几何特征对上行先导起始影响的3D模拟

建筑物几何特征对上行先导始发具有重要影响,本文基于三维变网格雷击物理模型,在不同几何特征建筑物和不同雷电流峰值情况下,探讨了下行负地闪过程中,建筑物顶部上行正先导始发影响因素。除了发现建筑物高度对先导的始发具有促进作用外,还得到以下结论：1）雷电流峰值相同时,建筑物的高度越高,其几何形状对上行稳定先导起始的影响（η）就越小。建筑物高度相同时,雷电流峰值越大,η 越小;2）圆柱塔型尖端的上行稳定先导最容易起始,且最接近针型,η 最小,为12.2%。长方体型上的稳定先导起始最晚,η 最大,可达53.4%;3）对于高度较矮和雷电流峰值较小的情况下,尖端几何形状（塔型或斜坡）对先导起始的影响较明显。     

地震三要素对拱桥能量响应的影响

运用能量方法分析了不同地面运动作用下地震三要素(幅值、持时、频谱特征)对拱桥总输入能量、阻尼耗能、滞回耗能总量分配比例的影响.研究结果表明:拱桥结构的总输入能、滞回耗能和阻尼耗能随地震动幅值的增大而增加,尤其是滞回耗能增长更快;拱桥的总输入能,滞回耗能和阻尼耗能随着地震反应持时的增加而增加,且呈线性变化趋势,但阻尼耗能较之总输入能和滞回耗能增速较小;相同加速度峰值条件下,输入频率集中且震荡幅值较大的地震波,地震输入能、滞回耗能、阻尼耗能相应较大.     

预制裂纹盐岩单轴力学特性及能量机制试验

盐穴储气库在水溶造腔时会产生大量溶蚀裂纹,为研究裂纹对盐岩强度和变形等力学性能的影响,利用MTS-815岩石力学实验系统,对不同参数裂纹盐岩的力学特性进行试验研究,采用对数应变对试验结果进行修正,分析了不同参数裂纹对盐岩的强度和变形的影响,并基于能量耗散理论分析其损伤破坏过程中的能量特征.结果表明:不同倾角裂纹降低了试样的峰值强度值,但降低量的多少与裂纹倾角大小未呈现明显的线性关系;不同长度的预制裂纹对盐岩峰值强度有明显的弱化作用,裂纹越长,弱化作用越大.外力做功产生的总应变能U绝大部分转化为耗散能Ud,小部分累积为可释放的弹性应变能Ue,导致盐岩内部产生损伤和塑性变形.破坏过程总能耗、耗散能、弹性应变能等,能量与应变关系曲线表现出明显的阶段特征;盐岩单轴压缩呈现压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段等4个阶段.     

多间隙高重合度齿轮传动系统动力学分岔与稳定性分析

建立了多间隙、时变啮合刚度的高重合度直齿圆柱齿轮传动系统的动力学模型,基于功能原理建立了模型的能量方程,采用有限元法计算了高重合度齿轮的啮合刚度,采用Runge-Kutta法获得了高重合度齿轮传动系统的动力学分岔和跳跃特性.结果表明:在间隙等因素影响下,高重合度齿轮传动系统具有丰富的分岔特性,随着转速的增大,出现了单周期、多周期和混沌等运动状态,系统通过激变途径在混沌运动和周期运动间跳跃;在混沌区域,系统有严重的跳跃现象;齿侧间隙对系统影响较大,较小间隙参数(3.85×10-5m)下齿轮传动系统做周期运动,较大间隙参数下齿轮系统以混沌运动为主;小阻尼参数下,齿轮传动系统处于混沌和周期运动的激变区域,在较高阻尼参数下齿轮传动系统经多次倒分岔进入稳定的单周期运动;从动齿轮的支撑间隙对系统的运动状态影响较大,主动齿轮的支撑间隙则影响较小.     

隔振系统阻尼特性研究

阻尼在隔振系统中主要起消耗振动能量的作用。在共振区,大的阻尼有助于抑制共振峰值;而在隔振区,小阻尼有助于提高隔振效率,综合考虑之,阻尼取值应在一个合理范围,取阻尼比D=0.05～0.2（橡胶隔振系统D=0.1左右）为宜。