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异形管道内跨模式全景深成像方法与装置

仪器仪表学报 2022年第8期43卷 54-64页

作者：王爽杰邢强王周义徐海黎戴振东南通大学机械工程学院南通226019 南京航空航天大学机电学院南京210016 南京航空航天大学深圳研究院深圳518063

异形管道在特种行业中具有极为重要的作用,对其内表面细微缺陷进行检测时所面临的空间小、径向尺寸变化自由等结构特征,使得传统管道内成像检测方式面临着因连续成像景深尺度变化大而造成的失焦问题,影响系统的高分辨力成像。针对这一问... 详细信息

异形管道在特种行业中具有极为重要的作用,对其内表面细微缺陷进行检测时所面临的空间小、径向尺寸变化自由等结构特征,使得传统管道内成像检测方式面临着因连续成像景深尺度变化大而造成的失焦问题,影响系统的高分辨力成像。针对这一问题,提出了跨模式全景深成像方法:通过融合成像表面深度数据与成像系统参数数据,自适应的决策当前的聚焦模式,并输出相应的合焦面深度集合。研制了具备深度感知的跨模式成像装置,并针对异形管道内壁细纹特征进行了成像实验。实验结果表明:本成像装置能够自适应的获取单聚焦图像或叠焦序列图像;对叠焦序列图像进行小波多聚焦融合,可获取全景深图像;所获取的全景深图像能够在40~1000 mm内分辨出0.5 mm宽微小细纹。本成像方法及装置能够为异型管道等场景内的缺陷检测及损伤分析提供可靠的图像支撑。

关键词：异形管道全景深跨模式自由曲面多聚焦融合

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壁虎在不同粗糙度的竖直表面的黏附

科学通报 2016年第23期61卷 2578-2586页

作者：吉爱红葛承滨王寰王周义戴振东南京航空航天大学航天学院仿生结构与材料防护研究所南京210016 南京航空航天大学机电学院南京210016

壁虎的脚掌上具有脚爪和刚毛两种附着器官,两种器官具有不同的附着机制,二者协同作用使壁虎具有在任意粗糙度的竖直墙面和天花板上自如运动与附着的能力.将壁虎脚掌上的脚爪去除后,放置在14种不同粗糙度的竖直的砂纸表面,以研究壁虎仅... 详细信息

壁虎的脚掌上具有脚爪和刚毛两种附着器官,两种器官具有不同的附着机制,二者协同作用使壁虎具有在任意粗糙度的竖直墙面和天花板上自如运动与附着的能力.将壁虎脚掌上的脚爪去除后,放置在14种不同粗糙度的竖直的砂纸表面,以研究壁虎仅依靠刚毛时的附着能力.研究结果表明,仅仅依靠刚毛附着时,壁虎在各类砂纸表面的滑移速度、内收速度等存在差异性.滑移速度随着砂纸表面上颗粒直径与间距比值增大而减小,表面粗糙度并不是影响黏附性能的直接原因,其黏附性能由刚毛尖端末梢与砂纸表面的接触面积决定.研究壁虎脚掌刚毛在不同粗糙度的竖直表面的黏附性能,可以为设计基于仿壁虎刚毛黏附的爬壁机器人提供参考.

关键词：壁虎附着粗糙度刚毛砂纸

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大壁虎运动反力实验研究

大壁虎运动反力实验研究

作者：王周义南京航空航天大学

学位级别：硕士

大壁虎运动反力测试系统用于测试壁虎在三种表面(水平面、墙面、天花板)上自由爬行过程中,脚掌与运动表面接触时产生的3维运动反力,并实时记录大壁虎运动的影像资料。该系统包括3维传感器阵列、信号调理与数据采集设备、图像采集设备以... 详细信息

大壁虎运动反力测试系统用于测试壁虎在三种表面(水平面、墙面、天花板)上自由爬行过程中,脚掌与运动表面接触时产生的3维运动反力,并实时记录大壁虎运动的影像资料。该系统包括3维传感器阵列、信号调理与数据采集设备、图像采集设备以及专用测试软件。通过实验获得了大壁虎在水平面、墙面和天花板运动的大量实验数据,结合影像资料,比较分析了壁虎在三种表面爬行过程中脚掌与运动表面的运动反力。发现在不同表面运动,壁虎步足在运动中的功能存在差异,并从力学的角度对壁虎身体的运动规律做了初步的阐述。首次获得了壁虎在墙面与天花板表面运动过程中的初始接触力。比较了在两个表面运动中初始接触力的大小。分析了初始接触力与运动速度,初始接触力作用时间与速度之间的相互关系,并在此基础上分析单个脚趾受力情况,发现脚趾主受力方向为脚趾径向。通过测试大壁虎在不同的表面爬行过程中脚掌与表面的接触力,分析壁虎在爬行过程中的吸附机制和运动规律,从而深入理解动物保持高灵活性、稳定性和机动性的深层力学原因和神经控制机制,为类壁虎机器人的运动学和仿生学带来相关的启示。

关键词：传感器阵列 3维运动反力初始接触力壁虎

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大壁虎在天花板表面的运动行为与动力学研究

科学通报 2010年第9期55卷 841-848页

作者：王周义王金童吉爱红戴振东南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所南京210016 南京航空航天大学机电学院南京210016

壁虎天花板表面运动作用力的测定对揭示壁虎运动的力学规律、获得仿生机器人控制设计的灵感均具有重要意义.用三维力传感器阵列测定大壁虎天花板表面运动的三维作用力,结合高速摄像讨论壁虎在天花板表面运动中壁虎脚掌的作用力和预压力... 详细信息

壁虎天花板表面运动作用力的测定对揭示壁虎运动的力学规律、获得仿生机器人控制设计的灵感均具有重要意义.用三维力传感器阵列测定大壁虎天花板表面运动的三维作用力,结合高速摄像讨论壁虎在天花板表面运动中壁虎脚掌的作用力和预压力,并比较分析了前后腿的作用.结果表明壁虎在天花板表面运动的速度为0.17～0.48m/s,前后腿向身体中线方向收拢.脚掌在与天花板表面初始接触时间内产生冗余的预压力,以确保运动的安全,前腿的法向预压力大于后腿.前后腿的侧向作用力大小相当.前腿运动方向的作用力始终和运动方向相同,起主要推动作用;后腿运动方向的作用力始终和运动方向相反.前后腿的法向作用力分别占体重的73.4%和60.6%.运动中,运动方向的作用力明显大于侧向和法向的作用力,前腿主要起到推动作用,后腿则主要起稳定作用.上述结果表明壁虎在天花板表面运动中腿功能的变化,使得壁虎能够在极端条件下自由运动,并启发机器人结构设计、步态规划和控制规律的选择.

关键词：三维运动作用力动力学天花板三维力传感器阵列壁虎

狭小空间匍匐式四足机器人的稳定行走控制及运动策略

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科学通报 2021年第33期66卷 4334-4344页

作者：韩耀辉段晋军王周义王炳诚郭策戴振东南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所南京210016

现代装备日益庞大、复杂,各分系统和模块间形成大量结构形状复杂的狭小空间,检测此类狭小空间内的设备状态对保障系统安全、降低运营成本具有重要意义.受壁虎能够在狭小空间顺利攀爬运动的启发,我们发明了仿壁虎匍匐运动机构和黏附脚掌... 详细信息

现代装备日益庞大、复杂,各分系统和模块间形成大量结构形状复杂的狭小空间,检测此类狭小空间内的设备状态对保障系统安全、降低运营成本具有重要意义.受壁虎能够在狭小空间顺利攀爬运动的启发,我们发明了仿壁虎匍匐运动机构和黏附脚掌,这种机器人在狭小空间,特别是宽度受限空间的运动稳定性为机器人运动规划的核心问题.本文研究宽度受限情况下匍匐式四足机器人的运动稳定性,作为对比,同时研究非受限情况下匍匐四足机器人的稳定运动设计.本文提出了一种保障运动稳定的重心轨迹规划方法,结合纵向稳定裕度和静态稳定区域方法,使用双支撑三角形减少支撑区域的约束条件,保留前向边界和后向边界的稳定裕度计算以简化步骤,提高了稳定裕度计算和重心轨迹规划的效率;提出在宽度受限情况下匍匐式四足机器人的运动策略,四肢向内收拢适应宽度受限约束,分析受限宽度下机器人的稳定裕度和最大步长.实验验证了该机器人在受限空间前向和横向运动的稳定性及运动控制方法.

关键词：宽度受限狭小空间稳定控制运动策略纵向稳定裕度静态稳定区域

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一种测力传感器固有频率的提高与测试

传感技术学报 2010年第2期23卷 235-238页

作者：吴强吉爱红王周义戴振东南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所南京210016 南京航空航天大学机电学院南京210016

提高测力传感器的固有频率能有效增强被测力数据的可靠性。介绍了一种悬臂梁测力传感器提高固有频率的设计方案,以及用高温火焰烧断承载线产生阶跃激励以测试实体传感器固有频率的新方法。该方案使用有限元软件ANSYS对传感器进行模态分... 详细信息

提高测力传感器的固有频率能有效增强被测力数据的可靠性。介绍了一种悬臂梁测力传感器提高固有频率的设计方案,以及用高温火焰烧断承载线产生阶跃激励以测试实体传感器固有频率的新方法。该方案使用有限元软件ANSYS对传感器进行模态分析和结构静力分析,结合仿真结果和悬臂梁固有频率公式修改模型,使测力传感器固有频率提高了60%以上,达到了360 Hz。实际测试结果与有限元仿真结果十分接近,充分证明了改进方案的有效性。

关键词：测力传感器悬臂梁固有频率阶跃激励有限元

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虎纹捕鸟蛛运动反力测试

自然科学进展 2009年第8期19卷 883-888页

作者：王周义王金童吉爱红戴振东南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所南京210016 南京航空航天大学机电学院南京210016

动物运动反力的测定将揭示动物运动过程的力学规律、启发仿生机器人控制设计.用三维力传感器测定虎纹捕鸟蛛水平运动时的三维运动反力,高速摄像分析虎纹捕鸟蛛各步足的功能.结果表明蜘蛛前足支撑相和摆动相不连续,运动方向受到的力始终... 详细信息

动物运动反力的测定将揭示动物运动过程的力学规律、启发仿生机器人控制设计.用三维力传感器测定虎纹捕鸟蛛水平运动时的三维运动反力,高速摄像分析虎纹捕鸟蛛各步足的功能.结果表明蜘蛛前足支撑相和摆动相不连续,运动方向受到的力始终和运动方向相反,起探测和辅助支撑作用.后足受到的力最大,方向始终和运动方向相同,起主要驱动作用.中间两对足受到的力在支撑相前段与运动方向相反,在支撑相后段与运动方向相同,但侧向力最大,对稳定运动贡献较大.运动中,法向反力显著大于侧向和运动方向的反力,各步足的支撑角变化不大,均在60°—70°间.上述结果表明了蜘蛛运动中各步足力学功能的差异,为启发机器人结构设计、步态规划和控制规律提供了仿生依据.

关键词：三维运动反力虎纹捕鸟蛛三维力传感器运动步态仿生机器人

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大壁虎脚趾运动和感觉的分区分级调控

科学通报 2009年第7期54卷 959-965页

作者：郭策蔡雷谢合瑞王周义戴振东孙久荣南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所南京210016 北京大学生命科学学院北京100871

近年来,爬壁机器人是机器人领域研究和开发的一个热点课题.大壁虎是研究爬墙机器人的理想模型.在仿壁虎机器人的研制过程中,脚掌(趾)的设计是关键技术之一.采用高速摄像和电生理学方法,观测了大壁虎前、后脚在不同界面爬行时不同的运动... 详细信息

近年来,爬壁机器人是机器人领域研究和开发的一个热点课题.大壁虎是研究爬墙机器人的理想模型.在仿壁虎机器人的研制过程中,脚掌(趾)的设计是关键技术之一.采用高速摄像和电生理学方法,观测了大壁虎前、后脚在不同界面爬行时不同的运动模式;研究了5个脚趾的黏-脱附运动及其感觉信息传入的神经支配;发现了5个脚趾运动和感觉功能的不同分区,黏附和脱附行为及其感受传入的分级调控现象.这些结果为当前仿壁虎机器人,以及其他4足和多足机器人脚掌(趾)的结构和运动控制系统的设计提供重要的信息和理念.

关键词：大壁虎神经支配运动模式感觉传入机器人脚掌

壁虎的运动行为与动力学研究:竖直面内运动方向的影响

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科学通报 2010年第23期55卷 2339-2349页

作者：王周义王金童吉爱红张月云戴振东南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所南京210016 南京航空航天大学机电学院南京210016 广西壮族自治区药用植物园南宁530023

壁虎在竖直面内不同方向运动时运动行为的观察和运动作用力的测定不仅能揭示出壁虎运动的力学规律,也可以进一步获得仿生机器人控制设计的灵感.用三维力传感器阵列测定大壁虎在竖直面内运动的三维作用力,并结合高速摄像讨论在自下向上,... 详细信息

壁虎在竖直面内不同方向运动时运动行为的观察和运动作用力的测定不仅能揭示出壁虎运动的力学规律,也可以进一步获得仿生机器人控制设计的灵感.用三维力传感器阵列测定大壁虎在竖直面内运动的三维作用力,并结合高速摄像讨论在自下向上,自上向下和自右向左3个不同方向运动时大壁虎的运动行为及其脚掌的功能.结果表明大壁虎的运动速度随步频的提高而增加,但与脚掌的黏附时间与脱附时间无明显相关性.大壁虎各脚掌产生相应的作用力以平衡重力和翻转矩,并为运动提供必要的推力;位于身体质心上方的脚掌在支撑身体、运动驱动、运动平稳等方面都起到关键作用;竖直面内大壁虎在不同方向运动时运动行为和脚掌功能所发生的相应改变,使得大壁虎能够在竖直面上安全高效的自由运动.这一研究对仿壁虎机器人的结构设计、步态规划和控制的选择有所启发和帮助.

关键词：壁虎三维运动作用力运动行为竖直面力传感器阵列