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基于SMA的仿生可重构模块化机器人

基于SMA的仿生可重构模块化机器人

作者：利恒浩广州大学

学位级别：硕士

形状记忆合金(Shape Memory Alloys,SMA)作为一种智能材料,凭借其优秀输出性能、较轻的质量和多种加工工艺适应性,被广泛用于先进机器人系统,尤其是微型机器人、软体机器人和模块化机器人。形状记忆合金的上述特性使可重构模块化机器人... 详细信息

形状记忆合金(Shape Memory Alloys,SMA)作为一种智能材料,凭借其优秀输出性能、较轻的质量和多种加工工艺适应性,被广泛用于先进机器人系统,尤其是微型机器人、软体机器人和模块化机器人。形状记忆合金的上述特性使可重构模块化机器人的设计更加灵活,并带来更加优秀的性能。本文提出并研究了一种基于SMA的可重构模块化机器人及其设计框架。本文的工作从间充质干细胞(Mesenchymal Stem Cells,MSCs)的机械力引导分化获得仿生灵感,设计并研究了一种可分化的干细胞致动器单元(Stem cell Actuator Units,SAUs),并以外部加载使其分化为一系列分化致动器单元(Differentiated Actuator Units,DAUs)。在此基础上,设计并实验了多种应用。本工作将分化的概念和原理引入SMA可重构模块化机器人的设计,扩展了模块化机器人系统的潜在构型和能力。本文的研究内容包括:(1)提出了一种可重构模块化机器人的仿生设计框架,并设计了基于SMA的致动器。受到间充质干细胞的力引导分化的启发,本文提出一种可重构模块化机器人的设计框架,该框架包含干细胞致动器单元、分化机制和机器人应用原型。考虑了旋转、平移及其复合运动,设计了以SMA弹簧原件驱动的多模态致动器单元。基于SMA材料的电阻特性和热效应,对电流加热过程进行建模,并设计了SMA致动原件的电流加热控制系统。以上研究内容的可行性均通过了实验验证。(2)考虑形状记忆合金弹簧的旋转、平移及其复合运动,对弹簧的形状记忆效应进行建模和仿真。以基于Liang-Rogers模型的正-切耦合本构模型描述形状记忆合金的行为。在此基础上进行了单轴加载模拟仿真和弹簧的形状记忆效应仿真。以上所述的仿真实验证明了模型的有效性。(3)在上述模型的基础上,设计了干细胞致动器单元并制作了实验样品,在实验平台上测试了致动器单元的性能,包括输出力、输出力矩和响应时间。同时,探讨了外部预加载(力和力矩)对干细胞致动器单元分化及其对应分化致动器单元性能的影响。实验表明,通过施加不同的外部加载可以使SAUs分化为具有不同运动模态和输出性能的DAUs,这些DAUs可以分为三大类,它们是能实现旋转运动的旋转致动器模块(Revolute Actuator Modules,RAMs),能实现平移运动的平移致动器模块(Prismatic Actuator Modules,PAMs)和能够同时旋转和平移的螺旋致动器模块(Helical Actuator Modules,HAMs)。此外,讨论了电压、工作环境等因素对致动器模块性能的影响。(4)基于上述的模型和可重构模块化机器人的仿生框架,设计并实现了一系列实验原型,并对它们建模、测试、评估和讨论。设计了基于DAUs的多足机器人并制作了样机,基于样机设计了行走步态并测试了多足机器人的移动性能。设计并制作了两种机械操作臂,包括串联三自由度机械臂和并联机构,仿真并测试了一系列DAUs对可达空间的影响,基于优化的设计参数,设计并制作了样机并对其进行拾取放置测试和轨迹跟踪实验。实验表明基于DAUs的机器人具有良好的性能。此外,DAUs被用于设计机器人的末端执行器,包括回转型夹持器、平移型夹持器和微型自动螺丝刀。这些设计原型均通过了实验和评估,验证了本研究提出的致动器单元和仿生模块化机器人框架在扩展模块化机器人构型上的潜力。

关键词：形状记忆合金形状记忆合金致动器可分化致动器仿生机器人可重构机器人

基于纳米划痕的熔石英玻璃去除机制与亚表面裂纹研究

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表面技术 2024年第16期53卷 151-158页

作者：郭佳乐伊浩朱力敏孙玉利左敦稳南京航空航天大学机电学院南京210016 上海航天控制技术研究所上海201109

目的研究熔石英玻璃在不同动态载荷作用下的材料去除机制和亚表面裂纹形成与扩展机理。方法对熔石英玻璃试样进行纳米划痕试验,分别从划痕轮廓、划痕力2个方面分析不同载荷下熔石英玻璃的力学行为,通过扫描电镜和光学显微镜观察划痕形貌... 详细信息

目的研究熔石英玻璃在不同动态载荷作用下的材料去除机制和亚表面裂纹形成与扩展机理。方法对熔石英玻璃试样进行纳米划痕试验,分别从划痕轮廓、划痕力2个方面分析不同载荷下熔石英玻璃的力学行为,通过扫描电镜和光学显微镜观察划痕形貌,分析材料去除机制;采用逐层截面显微法对划痕截面的亚表面裂纹形貌进行观测,研究动态载荷下工件亚表面裂纹的形成与扩展机理。结果当动态载荷小于118mN时,材料发生塑性变形,亚表面未产生裂纹;当动态载荷大于118mN且小于245mN时,材料处于塑脆转变阶段,亚表面裂纹以动态载荷加载点为起点,向试样内部扩展形成赫兹锥形裂纹并伴有横向裂纹的存在;当动态载荷超过245mN时,材料进入完全脆性断裂阶段,亚表面裂纹不断扩展至表面导致材料破碎。结论随着动态载荷的不断增大,熔石英玻璃的材料去除经历了弹塑性变形、塑脆转变、脆性断裂3个阶段;亚表面裂纹受到动态载荷的影响,裂纹从载荷加载点形成,并沿着应力最大方向不断扩展,导致材料表面发生脆性断裂;熔石英玻璃的临界切深与其动态弹性模量成正比,与其流动应力成反比,动态冲击载荷使熔石英玻璃的临界切削深度下降,亚表面裂纹更易扩展,材料去除更快进入塑脆转变阶段。

关键词：熔石英玻璃材料去除划痕轮廓亚表面裂纹动态载荷断裂机制

他白依隧道软岩大变形控制数值模拟优化分析及现场试验

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煤炭学报 2024年

作者：李介立张家国陈全胜敖瑞孙吉浩关朋潇中国矿业大学(北京)力学与建筑工工程学院中电建路桥集团有限公司中电建红河州建个元高速公路有限公司中电建路桥集团有限公司西南区域总部中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室

以云南他白依隧道为研究工程背景，作为全线地质情况最复杂的隧道，其复杂性表现为：隧址区属构造溶蚀侵蚀区、地质状况多变、穿越多个断层破碎带、局部段落富水、岩石风化严重、构造应力影响剧烈等。在原支护作用下，出现了初支大变形... 详细信息

以云南他白依隧道为研究工程背景，作为全线地质情况最复杂的隧道，其复杂性表现为：隧址区属构造溶蚀侵蚀区、地质状况多变、穿越多个断层破碎带、局部段落富水、岩石风化严重、构造应力影响剧烈等。在原支护作用下，出现了初支大变形、钢拱架变形、突泥涌水等状况。采用现场调查、岩石结构分析和数值模拟等方法对围岩的变形和破坏机理进行了研究。围岩为强～全、中风化变质砂岩夹片岩和板岩为主。对岩体的扫描电镜观察表明，片理结构明显、岩体结构相对松散，孔隙较发育。岩石中粘土矿物含量较高，主要成分为伊利石和绿泥石。区域地应力主要以构造应力为主，隧址区地下水受岩性、构造和地形地貌等因素控制，地下水的补给与降雨等密切相关，地下水主要以松散堆积层孔隙水、岩裂隙水和岩溶水形式赋存。在NPR锚索控制体系实施下，大变形治理效果显著，围岩大变形有效控制在300mm内。为保证工程安全，提高施工效率，对NPR锚网和立体钢拱架耦合支护进行优化设计，利用FLAC3D与PFC3D软件对多个NPR锚索控制体系进行数值模拟，建立恒阻大变形效果的NPR锚网单元和双层立体钢拱架，对比分析各种方案下模拟得出的围岩变形图和支护结构位移图，再进行现场试验，将米级非对称变形控制结果与数值解进行分析对比，认为NPR锚网和立体钢拱架支护体系能够解决因围岩富水、突泥、破碎和局部高压涌水的工程技术难题，得到以NPR锚索为核心的不同支护工艺的耦合支护参数下隧道围岩的收敛变形演化规律。

关键词：隧道工程软岩大变形 NPR锚索数值模拟现场试验

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二维浅海波导中声场边界处理的谱无限元方法

海军工程大学学报 2024年第1期36卷 49-55页

作者：曹伟浩程广利刘宝海军工程大学电子工程学院武汉430033

针对传统无限元法在截断声场边界上计算精度低的问题,提出了一种基于GR (Gauss-Radau)插值的谱无限元法,以高精度处理无限远边界对声场计算的影响。首先,采用映射函数构建从自然坐标系到笛卡尔坐标系的节点转换函数,获得两种坐标系之间... 详细信息

针对传统无限元法在截断声场边界上计算精度低的问题,提出了一种基于GR (Gauss-Radau)插值的谱无限元法,以高精度处理无限远边界对声场计算的影响。首先,采用映射函数构建从自然坐标系到笛卡尔坐标系的节点转换函数,获得两种坐标系之间的映射雅克比矩阵;然后,利用基于GR插值的形函数,模拟单元节点的声压,结合映射雅克比矩阵,对二维声场波动方程进行变分处理,推导了无限单元对应的积分表达式,用于模拟实际浅海波导环境下无限远处的声传播。与基于镜像法的解析解和传统无限元法结果的对比表明:所提方法结果与解析解一致性高,相对误差约为1%,验证了该方法的有效性和准确性。

关键词：二维浅海波导谱无限元 Gauss-Radau插值边界处理声场计算

磷掺杂碳负载Zn_(x)P_(y)O_(z)常温常压下高效电催化合成氨

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物理化学学报 2024年第3期40卷 29-30页

作者：王佳秦清王哲赵旭浩陈云菲候利强刘尚果刘希恩青岛科技大学化工学院山东青岛266042

合成氨(NH_(3))的发展是现代工业进程和人类生存的基石。受氮气(N_(2))化学惰性的限制,当前的合成氨工业能源消耗高并且排放大量的二氧化碳。电化学氮气还原反应(NRR),是有望取代高能耗的Haber-Bosch(HB)合成法的一种绿色可持续的合成... 详细信息

合成氨(NH_(3))的发展是现代工业进程和人类生存的基石。受氮气(N_(2))化学惰性的限制,当前的合成氨工业能源消耗高并且排放大量的二氧化碳。电化学氮气还原反应(NRR),是有望取代高能耗的Haber-Bosch(HB)合成法的一种绿色可持续的合成氨工艺。然而,因氮气以及析氢竞争富反应(HER)导致电催化氮气还原极低的NH_(3)产率和能量转换效率一直是目前人工固氮领域面临的挑战。在本文中,我们报道了一种具有丰富孔结构的磷掺杂碳(PC)负载Zn_(3)(PO_(4))_(2)/Zn_(2)P_(2)O_(7)纳米复合材料(h-PC/Zn_(3)(PO_(4))_(2)/Zn_(2)P_(2)O_(7)),在酸性和中性介质中将N_(2)高效催化转化为NH_(3)。其独特的分级多孔结构提高了表面粗糙度并加快了氮气在催化剂体相中的扩散,这有利于延长氮气在催化剂表面的停留时间以及提高活性位点的利用效率。而多组分的均匀分布可以调节电子结构并优化反应中间体的吸附行为,进而提高活性位点的本征活性。在0.1mol·L^(-1)HCI电解液中,h-PC/Zn_(3)(PO_(4))_(2)/Zn_(2)P_(2)O_(7)在-0.2 V vs.可逆氢电极(RHE)电位下NH_(3)的产率可以达到38.7±1.2μg·h^(-1)·mgcat^(-1),法拉第效率为19.8%±0.9%。此外;h-PC/Zn_(3)(PO_(4))_(2)/Zn_(2)P_(2)O_(7)在0.1 mol·L^(-1)Na_(2)SO_(4)溶液中同样展现出优异的电催化氮气还原合成氨性能,NH_(3)产率及法拉第效率分别为17.1±0.8μg·h^(-1)·mgcat^(-1)和15.g%±0.6%,明显优于PC/Zn_(3)P_(2)、C/ZnO和大多数报道的非贵金属电催化剂。这种优异的性能主要归因于多孔结构有利于传质及多组分活性位点协同效应。此外,我们采用非原位X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)等表征手段对NRR测试前后h-PC/Zn_(3)(PO_(4))_(2)/Zn_(2)P_(2)O_(7)的组成和结构变化进行了剖析。在反应后检测到了新增的N物种信号,证明催化剂确实发生了氮气还原反应。本研究提供了一种通过同步构建传质通道并耦合不同的活性位点以协同增强NRR活性和选择性的新思路,这对加快绿色制氨工业化具有重大意义。

关键词：氮气还原反应电催化剂孔结构多活性中心协同效应

多尺度2D-Adaboost的中药材粉末显微图像识别算法

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计算机应用 2024年

作者：王一丁王泽浩李耀利蔡少青袁媛北方工业大学信息学院北京大学药学院中国中医科学院中药资源中心

针对中药材粉末显微图像中含有大量细微特征、背景干扰因素多，导致同一类药材的变化过大（类内差异大）、多种药材之间特征过于相似（类间差异小）的问题，提出一种多尺度2D-Adaboost算法。首先，构建一个全局-局部特征融合的主干网络... 详细信息

针对中药材粉末显微图像中含有大量细微特征、背景干扰因素多，导致同一类药材的变化过大（类内差异大）、多种药材之间特征过于相似（类间差异小）的问题，提出一种多尺度2D-Adaboost算法。首先，构建一个全局-局部特征融合的主干网络架构，以更好地提取多尺度特征，所提架构通过结合Transformer和卷积神经网络（CNN）的优势有效提取并融合各个尺度的全局和局部特征，能够显著提高主干网络的特征捕捉能力；其次，将Adaboost的单尺度输出拓展到多尺度，构建2D-Adaboost结构的背景抑制模块，它将主干网络各个尺度的输出特征图划分为前景和背景，有效抑制背景区域的特征值，同时增强判别性特征的强度；最后，在2D-Adaboost结构的每个尺度上额外添加一个分类器从而构建特征细化模块，该模块通过控制温度参数协调分类器间的协作学习，逐步细化不同尺度的特征图，帮助网络学习更合适的特征尺度，丰富细节特征表示。实验结果表明，模型的识别准确率达到了96.85%，与ConvNeXt-L、ViT-L、Swin-L和Conformer-L模型相比，所提模型的准确率分别上涨了7.56、5.26、3.79和2.60个百分点。高准确率和稳定性的分类效果验证了所提模型在中药材粉末显微图像分类任务中的有效性。

关键词：深度学习中药材显微图像识别特征融合 2D-Adaboost

电力企业创建“标准化良好行为企业”的研究与实践

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电力企业创建“标准化良好行为企业”的研究与实践

好氧颗粒污泥对页岩气返排水中的典型多环芳烃的去除、解毒作用及机制

作者：关晓林王振浩靳双源国网辽宁省电力有限公司抚顺供电公司

一、前言当前,全球经济发展日趋激烈,经济格局存在重大的变革,如何在应对经济全球化中率先占据主动,掌握国际先进技术和管理经验,实现企业高质量发展,是当前必须认真研究解决的重要课题,"标准化良好行为企业"创建是以企业生产经营特性...

一、前言当前,全球经济发展日趋激烈,经济格局存在重大的变革,如何在应对经济全球化中率先占据主动,掌握国际先进技术和管理经验,实现企业高质量发展,是当前必须认真研究解决的重要课题,"标准化良好行为企业"创建是以企业生产经营特性为基础,以标准化管理体系为依据,构建完善的企业标准化管理机制,培训和打造拥有先进科学技术和管理水平的人才队伍,

关键词：

来源： cnki会议评论

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环境工程学报 2024年第8期18卷 2176-2188页

作者：孙靖蕾卢培利丁阿强刘阳佟宇浩李仕康重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室重庆大学环境与生态学院环境科学系

页岩气开发是我国重大能源战略的关键组成部分，返排水的处理是该行业面临的主要挑战。目前，在返排水中普遍存在的多环芳烃由于具有高环境风险而备受关注。本研究采用具有页岩气返排水处理能力的好氧颗粒污泥探究其对典型多环芳烃萘和... 详细信息

页岩气开发是我国重大能源战略的关键组成部分，返排水的处理是该行业面临的主要挑战。目前，在返排水中普遍存在的多环芳烃由于具有高环境风险而备受关注。本研究采用具有页岩气返排水处理能力的好氧颗粒污泥探究其对典型多环芳烃萘和菲的处理能力及其行为特征，并通过HPLC和GC-MS分析降解过程中的中间产物探究降解路径，及好氧颗粒污泥对多环芳烃毒性的缓解效应。结果显示，该好氧颗粒污泥对萘和菲的去除率达到93.8%和91.3%，并能保持长期稳定。生物降解是该好氧颗粒污泥系统长期稳定去除典型多环芳烃的主要途径，对萘和菲的去除贡献率分别达到64.1%和72.2%。受限于吸附容量，吸附作用仅在初期发挥短期贡献，且具有不同的吸附机制：萘的吸附过程主要表现为多分子层的化学吸附，而菲的吸附表现为物理吸附和静电力作用下的化学吸附。伴随着萘和菲的去除，含萘和菲的废水经该好氧颗粒污泥处理之后生物毒性显著降低，分别降至1%和16%。萘降解生成的中间体包括2,4-二甲基苯甲醛、2,4-二叔丁基苯酚和2,2'-亚甲基双-(4-甲基-6-叔丁基苯酚)，而菲的降解中间体则包括萘、三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、2,4-二甲基苯甲醛、2,4-二叔丁基苯酚和2,2'-亚甲基双-(4-甲基-6-叔丁基苯酚)，这些中间体最终转化为水杨酸和邻苯二甲酸，通过三羧酸循环实现矿化并缓解毒性。上述结果暗示处理页岩气返排水的好氧颗粒污泥系统能够对返排水中的多环芳烃进行有效去除进而缓解其毒性效应，为好氧颗粒污泥技术应用于页岩气返排水处理提供了技术支撑。

关键词：页岩气返排水好氧颗粒污泥多环芳烃吸附生物降解生物毒性

模块化多电平变流器IGBT开路故障诊断与定位方法综述

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中国电机工程学报 2024年第4期44卷 1501-1516,I0021页

作者：刘泽浩肖岚江苏省新能源发电与电能变换重点实验室(南京航空航天大学) 江苏省南京市210016

随着模块化多电平变流器(modularmultilevel converter,MMC)在工程领域中广泛应用,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)开路故障问题日益突出,并成为制约其稳定运行的主要因素。IGBT开路故障诊断与定位方法作... 详细信息

随着模块化多电平变流器(modularmultilevel converter,MMC)在工程领域中广泛应用,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)开路故障问题日益突出,并成为制约其稳定运行的主要因素。IGBT开路故障诊断与定位方法作为及时识别开路故障,保证MMC持续稳定运行的主要手段而被广泛研究。文中首先对MMC的基本结构及IGBT开路故障特征进行介绍和分析,阐明故障子模块电流路径及电容电压变化趋势;其次,以定位故障IGBT使用的方法和手段为依据,对国内外相关主要文献进行分类和归纳,总结不同类型故障诊断方法的优点和不足;最后,对MMC开路故障诊断与定位方法的未来发展方向和趋势进行展望,指出基于硬件、基于模型和基于人工智能的3类诊断方案分别在降低硬件复杂度、提高故障诊断准确率和降低计算量等方面应该重点解决的主要问题和思路。

关键词：模块化多电平变流器子模块 IGBT开路故障故障诊断与定位方法