Analytical method of predicating the instabilities of a micro arch-shaped beam under electrostatic loading

An arch-shaped beam with different configurations under electrostatic loading experiences either the direct pull-in instability or the snap-through first and then the pull-in instability. When the pull-in instability occurs, the system collides with the electrode and adheres to it, which usually causes the system failure. When the snap-through instability occurs, the system experiences a discontinuous displacement to flip over without colliding with the electrode. The snap-through instability is an ideal actuation mechanism because of the following reasons: (1) after snap-through the system regains the stability and capability of withstanding further loading; (2) the system flips back when the loading is reduced, i.e. the system can be used repetitively; and (3) when approaching snap-through instability the system effective stiffness reduces toward zero, which leads to a fast flipping-over response. To differentiate these two types of instability responses for an arch-shaped beam is vital for the actuator design. For an arch-shaped beam under electrostatic loading, the nonlinear terms of the mid-plane stretching and the electrostatic loading make the analytical solution extremely difficult if not impossible and the related numerical solution is rather complex. Using the one mode expansion approximation and the truncation of the higher-order terms of the Taylor series, we present an analytical solution here. However, the one mode approximation and the truncation error of the Taylor series can cause serious error in the solution. Therefore, an error-compensating mechanism is also proposed. The analytical results are compared with both the experimental data and the numerical multi-mode analysis. The analytical method presented here offers a simple yet efficient solution approach by retaining good accuracy to analyze the instability of an arch-shaped beam under electrostatic loading.

基于ARM的智能型定氮仪的研制

通过对凯氏定氮法和整个系统控制原理的分析,介绍了一种基于ARM的测定物质中氮元素含量的系统,该系统采用ARM微控制器LPC2214作为整个系统的控制核心,通过步进电机驱动进行标准溶液的滴定和光电检测确定滴定终点,形成闭环系统,实现了准确测定物质中氮元素的含量。文中给出了系统软硬件设计方案,对其实现方法及关键技术进行了研究。实验结果表明:该系统工作稳定,测量数据准确,具有一定的应用价值。

具有自适应能力管道机器人的设计与运动分析

提出并研制一种基于自适应移动机构的管内探查机器人。通过对机器人传动机构的设计,实现了在不增加驱动电动机数量的前提下,机器人具有适应不同管道直径的能力。机器人的传动机构能够在管道直径改变时,自动地改变行走部件的输出形式以克服障碍,完成越障任务。在没有应用链式多节构型的情况下,机器人配备一个驱动电动机就能够完成越障任务,改善了传统螺旋驱动式机器人越障能力不高的问题,同时也提高了对驱动电动机的使用效率。为了分析试验中发现的机器人保持架自转现象,对机器人进行运动分析,并由分析结果对相关部分进行改进。试验结果表明,该机器人能够在内径为190 mm和180 mm的管道中行进,并能够顺利通过两节管道间形成的同心台阶障碍,验证了自适应移动机构的行走能力。

基于MIT规则的自适应Unscented卡尔曼滤波及其在旋翼飞行机器人容错控制的应用

提出一种新颖的基于MIT规则的自适应Unscented卡尔曼滤波(Unscented Kalman filter,UKF)算法,用来进行参数以及状态的联合估计。针对旋翼飞行机器人执行器提出一种执行器健康因子(Actuator health coefficients,AHCs)的故障模型结构,应用自适应UKF对AHCs参数进行在线估计,将联合估计的状态以及故障参数引入基于模型的反馈线性化控制结构,组成完整的容错控制系统。提出的自适应UKF算法以及容错控制结构经过中科院沈阳自动化研究所ServoHeli-20旋翼无人智能平台数学模型进行仿真试验验证,效果良好。

双臂式空间机械臂捕捉目标问题

基于动量守恒关系,分析了空间机械臂抓取目标过程中的碰撞问题.针对单臂式系统提出了直臂抓取与广义直臂抓取构型,并将后者推广到双臂式空间机械臂系统.利用广义直臂抓取方法得到的空间机械臂构型,可有效减少碰撞作用对于空间机械臂系统角冲量、基座姿态的影响,保证了系统的稳定性,克服了控制算法中存在的构件转角和执行机构力矩限制问题.仿真证明了方法的有效性。

基于模型差分析的旋翼飞行机器人航向与垂向预测控制方法

本文针对旋翼飞行机器人全包线机动飞行中的驱动器滞后以及动力学模型时变的问题,提出了应对不确定性动力学模型的基于模型差分析的增量平稳预测控制方法。该方法首先通过建立增量平稳预测过程模型来应对驱动器输出滞后与稳态模型以及系统工作点的不确定性,并提升控制系统鲁棒性。然后通过自适应集员滤波器在线估计系统瞬态动力学与名义模型的偏差来补偿全包线飞行中时变模型对于名义控制器跟踪性能的影响。最后,通过实际的飞行试验验证了此方法能够有效的解决全包线飞行中航向与垂向的驱动器滞后与动力学时变问题,并且可以实用于旋翼机器人航向与垂向的全包线自主飞行控制。

一种适用于多指灵巧手的机电一体化驱动器概念

本文提出了一种机电一体化驱动器的概念,这种驱动器能够将电机的旋转运动转换为直线运动,并在不外加力和力矩传感器的基础上利用运动转换副上产生的微应变来估算电机的输出力矩和驱动器末端的牵引力信息。利用高精度、高灵敏度并带有温度和噪声补偿电路的应变片来测量微应变,以取得稳定而可靠的测量结果。应变片直接贴在驱动器的主体结构表面可以最小化尺寸,而且可以实现机电一体化而不是机械-电子集成系统。仿真实验表明,这种方法和传统的电流估算法相比,可以减少由于噪音和波动带来的电流信号误差,得到更加精确的信息,并且(与加入力或者力矩传感器相比)能够有效缩小外型尺寸,同时去除不必要的机械与电子接口,因此增加了系统的鲁棒性。

基于原子力显微镜的阳极氧化技术及其在碳纳米管氧化切割与焊接中的应用

探针阳极氧化是构建纳米结构,制造纳米器件的重要技术之一,本文对该技术中基于原子力显微镜(AFM)的阳极氧化进行了新的研究.通过对氧化加工中微观电场在基底表面分布情况进行模拟,分析了氧化结构的特征与电场分布的关系,通过实验研究分析了不同加工因素对氧化加工的影响.在这些研究基础上利用AFM阳极氧化技术实现了对碳纳米管(CNT)的氧化切割及焊接,为CNT基纳米器件的装配及制备提供了新的技术途径。

机器人化纳米操作系统驱动器驱动与探针定位研究

对基于AFM的机器人化纳米操作系统而言,一个关键问题是如何实现纳米操作时探针的高精度驱动与定位。对此,本文基于对压电陶瓷驱动器的迟滞/非线性特性及现有驱动方法的详细分析,提出"基于复现扫描轨迹的驱动方法"来对操作时的驱动器进行驱动;另外,还对管式驱动器弯曲运动所产生的运动学耦合误差、探针悬臂变形所引起的针尖偏移误差进行了定量分析与补偿。采用上述驱动方法及进行误差补偿后,可以大大提高探针的定位精度,从而使纳米操作与装配得以高精度进行。纳米刻画实验验证了该新型驱动方法及误差补偿的有效性。

可重构星球探测机器人的机构设计

基于可重构思想设计了一种可重构星球探测机器人系统。系统由一个母体和几个子机器人组成,其中子机 器人包括车轮和手臂两部分,可以作为独立作业的机器人,具有移动状态和工作状态两种模式。子机器人具有在 一个驱动力作用下处于不同约束环境中时,表现为不同形式输出的特点,容易实现两种模式下的灵活运动。并深 入研究了机构参数对子机器人运动的影响,用试验和仿真进行了验证,这为机器人的参数化设计及运动中的参数 化调整提供了重要的理论依据。

一种新型柔索驱动并联机器人的模型样机

提出一种新型并联机器人机构 ,利用张紧柔索驱动该并联机器人·通过运动学和动力学分析、工作空间分析、轨迹规划、误差分析 ,设计并制作了模型样机本体、驱动与控制模块 ,开发了机器人语言 ,控制模型样机完成指定动作·实验结果表明 ,这种新型并联机器人是可行的 ,适用于轻型机床等设备·该机器人在某一速度范围内工作时 ,会产生较明显的振动 ,并伴有噪声 ,因此要提高机器人的性能还必须设法抑制其振动

自适应模糊PID控制在AUV控制中的应用

自治潜水器(AUV,Autonomous Underwater Vehicle)是非线性、强耦合、大惯性的多输入多输出系统,又由于受到海流、传感器、执行机构等不确定性的影响,对AUV控制器的鲁棒性能提出了更高的要求。本文针对我国正在研制开发的长航程自治潜水器的特性及其对航行控制的要求,将PID控制与模糊控制的简便性、灵活性以及鲁棒性结合起来,为AUV设计了可在线修改PID参数的自适应模糊PID控制器,仿真结果证明了该种控制方法不但提高了AUV系统的动态特性,而且可在参数摄动和外界扰动时获得较好的控制性能。

摆动液压缸组合密封的建模与计算

七功能水下机械手采用至少1个摆动液压缸作为关节驱动。为进行水下作业要求摆动液压缸工作压力为21MPa。为实现其作业压力,对摆动液压缸采用聚四氟乙烯(PTFE)-橡胶组合密封。设定密封件压缩量,对其进行力学分析和弹性流体动力学(EHL)建模,计算出密封压力、油膜厚度等参数。计算结果表明组合密封能够完成21MPa下摆动液压缸的密封。

水下滑翔机器人水动力研究与运动分析

水下滑翔机器人是一种无外挂推进系统,仅依靠内置执行机构调整重心位置和净浮力来控制其自身运动的新型水下机器人,主要用于长时间、大范围的海洋环境监测,因此要求其具有低阻性和高稳定性.文章主要从水动力特性出发对水下滑翔机器人进行优化设计,包括主载体线型、升降翼和稳定翼的优化等,并对水动力优化设计的结构进行了定常滑翔运动和空间螺旋回转运动分析,这将为后期的控制系统设计提供参考.

水下滑翔机器人系统研究

水下滑翔机器人是一种新型的水下机器人,可以作为水下监测平台用于大范围、长时间的大尺度海洋环境监测作业。文中调查了水下滑翔机器人的国内外发展现状,分析了其可能的应用领域。详细介绍了中国科学院沈阳自动化研究所开发的水下滑翔机器人系统,包括载体外形优化设计、载体结构设计和控制系统设计。分析了水下滑翔机器人定常滑翔运动和空间螺旋会转运动的运动性能。