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二自由度大行程无耦合压电粘滑定位平台

光学精密工程 2024年第1期32卷 62-72页

作者：吴彤杨依领吴高华崔玉国魏燕定宁波大学机械工程与力学学院浙江省零件轧制成形技术研究重点实验室浙江宁波315211 浙江大学机械工程学院浙江省先进制造技术重点实验室浙江杭州310027

针对微操作与微装配任务对多维大范围精密定位运动的需求,采用粘滑驱动原理并结合压电柔顺机构设计二自由度、大行程、无耦合并联定位平台。利用桥式机构对内置压电驱动器进行位移放大,并与复合解耦结构配合构成二维柔顺驱动机构。交叉... 详细信息

针对微操作与微装配任务对多维大范围精密定位运动的需求,采用粘滑驱动原理并结合压电柔顺机构设计二自由度、大行程、无耦合并联定位平台。利用桥式机构对内置压电驱动器进行位移放大,并与复合解耦结构配合构成二维柔顺驱动机构。交叉滚柱导轨则连接移动台与驱动机构,并通过预紧螺钉调整接触摩擦力,进而获得良好的粘滑运动特性。采用有限元法建立定位平台的静力学模型,并对位移放大倍数、应力和固有频率进行仿真分析。最后,搭建实验测试系统验证定位平台的输出性能。实验结果表明:在扫描驱动模式下,驱动电压为150 V时,平台x和y向的输出位移分别为63.84μm和62.61μm,耦合比为0.52%和0.59%,分辨率为6.5 nm和7.2 nm;在步进驱动模式下,驱动电压为120 V时,平台在x和y向的单步位移分别为47.31μm和47.20μm,耦合比为0.69%和0.73%,x正向、x反向、y正向和y反向的运动分辨率分别为0.49,0.47,0.47和0.42μm,最大垂直负载为50 N,设计的压电粘滑定位平台满足所需性能要求。

关键词：压电驱动桥式机构粘滑运动定位平台

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绳驱动踝关节康复机器人的运动学与刚度研究

机器人 2024年第4期46卷 503-512页

作者：杨凯盛胡俊豪韩陈洁崔玉国王冲冲杨桂林宁波大学浙江省零件轧制成形技术研究重点实验室浙江宁波315211 上海交通大学自动化系上海200240 遨博(北京)智能科技股份有限公司北京100195 中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江省机器人与智能制造装备技术重点实验室浙江宁波315201

针对现有踝关节康复机器人存在的人机结构匹配度不高、柔顺性不足、适应性弱等问题,提出了一种新型绳驱动变刚度踝关节康复机器人。考虑到绳索的单向受力特性使得绳驱动机器人具有变刚度特性,基于柔性并联机构理论创新设计了一种结构简... 详细信息

针对现有踝关节康复机器人存在的人机结构匹配度不高、柔顺性不足、适应性弱等问题,提出了一种新型绳驱动变刚度踝关节康复机器人。考虑到绳索的单向受力特性使得绳驱动机器人具有变刚度特性,基于柔性并联机构理论创新设计了一种结构简单紧凑、刚度―拉力线性度高的变刚度装置,以提高变刚度控制的范围和精度。通过康复机器人的运动静力学和刚度建模分析,揭示了调节绳索长度来调控机器人位姿,以及调节绳索张力来调控机器人刚度的规律。在此基础上,提出了面向刚度的绳索张力分配算法以实现刚度控制,并通过仿真案例验证了算法的可行性。最后,设计了绳驱动踝关节康复机器人的控制系统,研制了机器人样机,通过实验验证了机器人运动控制方法。研究结果表明所设计的绳驱动踝关节康复机器人具有人机结构匹配、刚度可调等优点。

关键词：踝关节康复绳驱动机器人变刚度装置刚度建模绳索张力分配

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压电纤维致动柔性结构的仿鱼体波振动特性及流场分布研究

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中国机械工程 2024年第3期35卷 405-413页

作者：温志伟娄军强陈特欢崔玉国魏燕定李国平宁波大学机械工程与力学学院宁波315211 浙江大学机械工程学院杭州310058

提出利用压电纤维(MFC)致动柔性结构的二阶振动模态来模仿鲹科鱼类的鱼体波运动。基于假设模态法求解智能柔性结构的前三阶振型,实验测得水下柔性结构的二阶振型,验证了智能柔性结构的二阶振型逼近鲹科鲈鱼的鱼体波。采用计算流体动力学... 详细信息

提出利用压电纤维(MFC)致动柔性结构的二阶振动模态来模仿鲹科鱼类的鱼体波运动。基于假设模态法求解智能柔性结构的前三阶振型,实验测得水下柔性结构的二阶振型,验证了智能柔性结构的二阶振型逼近鲹科鲈鱼的鱼体波。采用计算流体动力学(CFD)分析了柔性结构周围流线及压力分布情况,结果表明:二阶振动行为下,柔性结构节点前后流线方向相反;两侧流场始终存在两组高、低压集中区域,且节点前后的压力集中区域分布相反;柔性结构两侧始终存在正压梯度,其中向前的压力分量为柔性结构提供持续的推进力,而节点前后压力分量产生的侧向力方向相反,部分抵消,增强了柔性结构的侧向稳定性。研究结果为水下仿生推进器的设计和性能分析提供了重要参考。

关键词：水下柔性结构仿鱼体波振动压电纤维流场分布特性计算流体动力学

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二自由度并联压电粘滑定位平台

机械工程学报 2024年第11期60卷 250-258页

作者：许锰杨依领吴高华崔玉国魏燕定宁波大学浙江省零件轧制成形技术研究重点实验室宁波315211 浙江大学浙江省先进制造技术重点实验室杭州310027

针对粘滑运动的周期性循环应力易导致柔顺机构疲劳问题,设计低应力、高分辨率和无耦合的二自由度宏行程定位平台。采用双圆弧仿生柔性铰链设计柔顺驱动单元,减小应力并提高结构刚度。然后,结合压电粘滑驱动与正交导向机构,实现平台的高... 详细信息

针对粘滑运动的周期性循环应力易导致柔顺机构疲劳问题,设计低应力、高分辨率和无耦合的二自由度宏行程定位平台。采用双圆弧仿生柔性铰链设计柔顺驱动单元,减小应力并提高结构刚度。然后,结合压电粘滑驱动与正交导向机构,实现平台的高分辨率、大行程二维并联解耦运动。之后,采用有限元法和伪刚体模型对定位平台进行静力学与动力学分析,并通过Ansys Workbench软件对平台应力、频率和单步位移等进行仿真。最后,搭建实验平台并进行性能测试。实验结果表明:平台最大速度为9.03 mm/s,x和y向位移耦合率为0.89%和0.92%,分辨率为10 nm和11 nm,最大水平与垂直承载能力分别为1.4 N和40 N。实验结果验证了结构设计及理论模型的有效性。

关键词：压电驱动粘滑运动低应力柔顺机构二自由度

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水下大振幅压电纤维致动柔性结构的非线性流体动力特性及实验

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振动工程学报 2024年第3期37卷 365-373页

作者：杨浙栋娄军强陈特欢崔玉国魏燕定李国平宁波大学机械工程与力学学院浙江省零件轧制成形技术研究重点实验室浙江宁波315211 浙江大学机械工程学院浙江省先进制造技术重点研究实验室浙江杭州310027

水下智能材料驱动柔性结构在机器鱼、水下航行器及精密医疗等领域具有广阔应用前景。本文研究了水下大振幅压电纤维(Macro Fiber Composite,MFC)致动柔性结构的非线性流体动力特性,建立了流固耦合振动模型,并进行了实验验证。通过参数... 详细信息

水下智能材料驱动柔性结构在机器鱼、水下航行器及精密医疗等领域具有广阔应用前景。本文研究了水下大振幅压电纤维(Macro Fiber Composite,MFC)致动柔性结构的非线性流体动力特性,建立了流固耦合振动模型,并进行了实验验证。通过参数化的二维CFD分析了不同特征振动频率及振幅下柔性结构周围流场的分布演化规律,发现随着柔性结构特征振幅增大,其周围流场逐渐出现了涡旋脱落及对流现象,且流体阻尼效应的非线性随之增强。提出了由特征振动频率和振幅共同确定的非线性修正流体动力函数解析表达式,分析结果表明:在小振幅情况下,修正流体动力函数虚部也就是流体阻尼效应随着特征振动频率的增大而减小;而当特征振幅增大到一定值后,流体阻尼效应随着特征振动频率的增大却呈现出先减小后增大的变化规律,具有强烈的非线性特性。开展了水下MFC致动柔性结构振动特性验证实验,证实柔性结构在MFC主动激励下的实测幅频、相频特性与理论预测结果基本一致,验证了所提修正流体动力函数表达式及流固耦合振动模型的有效性。

关键词：非线性流体动力学流体动力函数流固耦合振动水下柔性结构压电纤维

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一种分段的超短波对数周期天线设计与实验

现代电子技术 2024年第3期47卷 12-17页

作者：唐金彪李相强崔玉国乔小斌西南交通大学物理科学与技术学院四川成都610031 中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术重点实验室山东青岛266107

超短波的传播方式主要为视距传播,这种传播方式需要天线具有强方向性且有较高的增益。而对数周期天线是一种超宽带、中等增益的天线,非常适用于超短波通信。然而在超短波频段下,常规对数周期天线的长度较长,小型化程度不高。为了实现超... 详细信息

超短波的传播方式主要为视距传播,这种传播方式需要天线具有强方向性且有较高的增益。而对数周期天线是一种超宽带、中等增益的天线,非常适用于超短波通信。然而在超短波频段下,常规对数周期天线的长度较长,小型化程度不高。为了实现超短波对数周期天线的小型化,提出一种分段的超短波对数周期天线的设计方案。根据应用需求,在满足天线增益的情况下,采用分段设计缩减天线长度,同时调整集合线之间的夹角,以实现天线的阻抗匹配。经过仿真设计,天线在30~70 MHz频段内典型增益大于8 dBi,天线的长度缩减至7 m。采用基于无人机飞行平台的外场测试系统对天线进行实验测试,测试结果表明,天线在工作频率范围内驻波比小于1.5,测试与仿真的辐射特性基本一致。该天线具有带宽宽、增益高、结构简单等特点,可以满足实际场景中超短波天线的需求。

关键词：超短波对数周期天线超短波天线分段设计天线测试地面

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柔顺宏微操作系统动力学建模及振动抑制研究

振动与冲击 2024年第9期43卷 69-76,120页

作者：翁寅祥杨依领吴高华崔玉国魏燕定宁波大学浙江省零件轧制成形技术研究重点实验室浙江宁波315211 浙江大学浙江省先进制造技术重点实验室杭州310027

针对高速大范围宏运动时柔顺微操作器的微纳振动问题,建立系统动力学模型并设计改进离散滑模控制策略对微观弹性振动进行抑制。首先以气浮宏动平台和压电纤维微操作器构成的宏微操作系统为对象,结合假设模态法、拉格朗日方程和非对称迟... 详细信息

针对高速大范围宏运动时柔顺微操作器的微纳振动问题,建立系统动力学模型并设计改进离散滑模控制策略对微观弹性振动进行抑制。首先以气浮宏动平台和压电纤维微操作器构成的宏微操作系统为对象,结合假设模态法、拉格朗日方程和非对称迟滞模型,建立系统综合机电动力学模型。然后,在所建模型基础上设计变速趋近律调节切换增益,从而实现非线性离散滑模控制。最终搭建宏微操作系统测控平台,并进行轨迹跟踪和振动抑制试验。在轨迹跟踪时,对于不同频率的正弦参考轨迹,所设计的控制策略均能精确跟踪给定信号且误差较小;在振动抑制时,当宏动平台沿梯形与S轨迹运动时,微操作器残余振动稳定时间比改进前分别减少26.1%和50.0%,比无控制时分别缩短53.6%和53.3%。验证了动力学模型与离散滑模控制的有效性,提高了系统控制精度与效率。

关键词：宏微操作系统动力学建模振动抑制压电驱动滑模控制

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基于压电超声触觉显示的可变摩擦研究

压电与声光 2024年第2期46卷 213-218页

作者：韩凯李国平项四通崔玉国魏燕定娄军强宁波大学机械工程与力学学院浙江省零件轧制成型技术重点实验室浙江宁波315211 浙江大学机械工程学院浙江省先进制造技术重点研究实验室浙江杭州315474

基于超声波润滑机理和挤压膜效应,该文提出了一种新型的压电超声触觉显示分析模型,并进行了理论和实验分析。在高挤压数状态下,推导出挤压力的解析表达式,开展了超声触觉显示分析模型振动特性实验和定性、定量摩擦辨别实验,探究了振动... 详细信息

基于超声波润滑机理和挤压膜效应,该文提出了一种新型的压电超声触觉显示分析模型,并进行了理论和实验分析。在高挤压数状态下,推导出挤压力的解析表达式,开展了超声触觉显示分析模型振动特性实验和定性、定量摩擦辨别实验,探究了振动频率和激励电压对摩擦减少的影响,验证了压电超声触觉显示分析模型显著的减摩擦效果,为构建触觉显示剪切力模式提供了理论基础。

关键词：挤压膜效应压电超声触觉显示减摩擦效果

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MFC致动器的动态迟滞模型辨识及补偿控制

振动与冲击 2022年第10期41卷 301-308页

作者：卢荣华陈特欢娄军强崔玉国宁波大学机械工程与力学学院浙江宁波315211 浙江大学工业控制技术国家重点实验室杭州310027

压电宏纤维(marco fiber composite,MFC)具有柔性好、变形能力强的优点,但MFC致动器驱动的柔性臂的迟滞非线性严重影响系统定位精度。提出一种具有非对称性的改进Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型,解决经典PI迟滞模型的缺陷(对称性);该... 详细信息

压电宏纤维(marco fiber composite,MFC)具有柔性好、变形能力强的优点,但MFC致动器驱动的柔性臂的迟滞非线性严重影响系统定位精度。提出一种具有非对称性的改进Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型,解决经典PI迟滞模型的缺陷(对称性);该模型基于经典PI迟滞模型,叠加一系列不同权重、不同阈值的双边死区算子获得,基于最小二乘法的迟滞模型辨识结果表明,改进PI迟滞模型对MFC致动器的迟滞建模误差从PI迟滞模型误差的16.06%降到5.58%。另外,建立系统的离散传递函数模型来描述系统的线性动态特性,并与改进PI迟滞模型串联得到组合模型,解决纯迟滞模型仅能描述低频、准静态情况下的迟滞特性问题。在前馈补偿下,对MFC致动的柔性臂进行正弦波轨迹跟踪试验,测得补偿后实测位移与期望跟踪位移基本吻合,跟踪精度达到93.62%以上。试验结果证明,所提出的改进PI迟滞模型、离散传递函数模型及补偿方法的有效性。

关键词：压电宏纤维(MFC) 迟滞非线性双极性非对称改进Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型离散传递函数模型前馈补偿