摘要：提出用自主水下机器人(autonomous underwateer vehicle,AUV)基于仿生行为追踪深海热液羽流,进而快速、精确定位海底热液喷口;并针对AUV追踪深海热液羽流的仿生控制策略研究需要,设计、实现了一个计算机仿真环境.首先介绍了基于AUV的深海热液羽流追踪和该仿真环境的模块化构成,然后给出了仿真环境中的流场和羽流仿真模块所采用的仿真模型及其高效的数值求解算法,和为便于蒙特卡洛仿真而设置的一组随机初始条件和边界条件,以及介绍了控制系统仿真模块采用的一种基于行为的模块化的AUV控制系统体系结构.该仿真环境体现了AUV追踪热液羽流的仿生控制策略研究的问题复杂性因素,包括流场非均匀和非定常,羽流分布不规则、不连续、空间尺度大,羽流轴线弯曲,以及羽流含有浮力上升部分和包含非守恒示踪物质,并且具有较好的可视化效果.同时,该仿真环境具有较高的计算效率,适合于实时仿真和蒙特卡洛仿真研究.分析和演示表明,该仿真环境满足研究需要,为AUV追踪深海热液羽流的仿生控制策略研究提供了有力的支持.

摘要：提出一种基于横向二次射流的水下推力矢量技术,通过二次射流的横向速度场诱导主流发生偏转,建立了推力矢量偏角与流速偏角的数学关系,证明了通过主流偏转实现推力矢量偏转的有效性。通过数值计算方法分析了不同二次射流深度、不同二次射流/主流体积比及不同二次射流/主流速度比条件下主流偏转角度变化。结果显示:随着二次射流深度的增加,主流受到壁面阻碍作用增强,因而偏转角度减小。随着二次射流/主流体积比的减小,出口负压区所占比例减小,主流偏转角度增加,且当体积比减小到一定值后,负压影响可以忽略,主流不再随体积比而变化。主流偏转角度随速度比增加而增加,且在速度比一定的条件下,速度数值的变化对主流偏转没有影响。设计了一种主流为圆形射流的水下矢量推进器,对其数值分析结果揭示:当位于射流中剖面同侧的二次射流全部作动时,主流可以取得最大的偏转角度,且主流的偏转方向可以通过使不同的二次射流组合处于作动状态进行控制。

摘要：提出了一种既能够在陆地上爬行,又能够在一定深度的水下浮游和在海底爬行的新概念轮桨腿一体化两栖机器人;多运动模式和复合移动机构是该机器人的突出特点.分析了轮桨腿复合式驱动机构的运动机理,并采用多目标优化设计理论和算法,对驱动机构的爬行性能和浮游特性进行了综合优化,得到了两栖机器人驱动机构的结构优化参数.虚拟样机的仿真结果证明了该轮桨腿一体化两栖机器人驱动机构的综合运动性能良好,对非结构环境具有一定的适应能力.

摘要：水陆两栖可变形机器人是一种兼具变形能力与两栖环境适应能力的新型移动机器人。在其机构设计中,结构参数直接影响该机器人在任务环境中的各项机动性能。针对水陆两栖可变形机器人工作环境复杂性和任务多变性,提出一种基于多目标遗传算法的机器人结构参数设计方法,以得到该型机器人在两栖环境中的最优的综合性能。在水陆两栖可变形机器人陆地环境和水环境中运动学和动力学模型基础上,建立两栖环境中机器人的机动性能指标函数与结构参数的映射关系,并在此基础之上构建面向水陆两栖可变形机器人的结构参数设计的多目标优化问题。利用多目标遗传算法得到该多目标机构参数设计问题的Pareto最优解集,并且通过组合赋权方法确定各目标决策属性的权重,从Pareto最优解集中得到符合设计要求的水陆两栖可变形机器人的各项机构参数最优解,进而指导机器人最终结构参数设计。根据最终得到的结构参数研制出水陆两栖可变形机器人样机Amoeba-II,并在两栖环境下进行样机的各项性能试验,最终验证了基于多目标遗传算法的机器人结构参数设计方法的有效性以及在机器人设计中的适用性。

摘要：为了实现2维非耦合纳米驱动控制,介绍了一种基于压电陶瓷驱动和柔性筋板导向的一体化新型纳米级微动平台的结构设计.重点介绍了运用解析计算方法对平台结构力学特性的分析研究,得出了该平台导向筋板弱截面处的最大应力以及主体机构的基频值,并通过有限元仿真验证了解析计算结果的正确性.最后,采用显微视觉技术,进行了微动平台动态运动性能的测试实验,给出了平台的动态输入输出特性曲线.

摘要：在上肢康复机器人的设计中,由于患者悬臂及机器人臂自身重力的影响需要较大驱动力矩的驱动电机,且电机驱动力矩波动较大。为了防止在康复训练过程中驱动力力矩过大对患者造成的肌肉拉伤、脱臼等二次伤害,提出了一种运用气弹簧和拉簧相结合来部分抵消机器人及患者上肢重力的重力支撑装置。设计了支撑装置的运动机构。通过分析表明该装置可以有效地减小电机驱动力矩。最后,运用Pro/E对重力支撑装置进行了实体建模,导入ADAMS/View中做动力学仿真,得到了有支撑装置和无支撑装置情况下机器人主要关节驱动力矩的变化曲线;结合试验获得的驱动力矩的变化曲线,验证了该装置的应用使机器人驱动力矩的极值减小了50%以上。

摘要：为解决时变位姿和建模精度对机器人结构优化的影响,提出了一种有限元与解析法相结合的机器人实时模态分析方法,能够实时、高效、高精度地获得机器人任意位姿下的固有频率和振型。同时为降低计算量,实现全域结构优化,基于正交设计提出了一种以机器人质量与全域一阶固有频率比(M/GF)为优化目标、以机器人结构尺寸为优化变量的全域动态性能结构优化设计方法。优化结果表明:优化后的M/GF指标比优化前提高了9.90%,优化后的全域一阶固有频率指标比优化前提高了0.91 Hz。

摘要：针对北极高纬度和科学考察中长期冰站对海冰在一定范围内连续重复观测的需求,设计了面向冰下环境的自治/遥控水下机器人("北极ARV")导航定位系统.提出基于海冰运动修正的水下机器人自主导航方法,通过定时引入海冰运动信息,实时准确获取水下机器人相对于海冰的位置信息,这不仅提高了观测数据的实际应用价值,还提高了冰下作业的安全性.仿真试验和北极冰下应用证明这一导航系统具有精度高、稳定性好等优点.

摘要：针对脊柱微创手术实际的临床导航需求,设计开发了一种基于增强现实的脊柱微创手术导航系统。在术前通过CT对患者脊柱病灶部位进行扫描和重建,将合适的脊柱模型导入Unity-3D平台中并为其添加控制脚本。使用标定球对手术器械进行标定,采用Polaris Vega光学追踪器实时追踪手术器械,建立手术器械与Polaris Vega光学追踪器之间的坐标转换关系,将识别到的手术器械位姿信息实时发送到HoloLens设备中,从而实现手术器械、病灶模型等医疗影像的同步显示。在术中为医生提供3维脊柱病灶影像的可视化显示,帮助医生实现病灶定位和手术器械导航。经过脊柱模型实验测试,系统导航误差小于2.8 mm,可以满足脊柱外科的临床应用要求。

摘要：激光诱导击穿光谱技术在实现钢水成分在线分析上展现了强大的应用潜力。然而,在测量钢中非常重要的C、P、S组成元素时,由于其有效的发射谱线无法在空气中远距离传输,这些元素的探测一直是个挑战。该论文工作研究了在1.5 m长探枪下,探枪中氩气环境对检测钢中C、P、S元素的影响规律,发现氩气流量过大或过小都不利于光谱测量,在气流量设置为11 L·min^(-1)时,获得的光谱最稳定且谱线强度最大。使用14个标准钢样本,在最优气流量下对C、P、S三种元素实现了明显检出以及定量分析。通过内标标定后,三种元素获得的检出限(LOD)分别为0.009%、0.04%、0.015%,相对标准偏差(RSD)分别为2.34%、1.05%、1.01%,相关系数(R)分别为0.998、0.997、0.987,均方根误差(RMSE)分别为0.02%、0.02%、0.03%。该论文研究成果验证了该探枪设计的有效性,为实现钢水成分中C、P、S在线分析提供了重要的设计依据。