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柔性踝关节外骨骼系统设计与行走控制

柔性踝关节外骨骼系统设计与行走控制

作者：赵留刚重庆理工大学

学位级别：硕士

人口老龄化和医疗资源短缺的背景下,人工辅助老年人行走及运动康复的成本逐渐增加。外骨骼作为可穿戴运动辅助设备,可辅助老年人行走并协助患者康复训练。刚性外骨骼存在柔顺性不足、体积大和携带不便等问题。本文设计了一种柔顺性高、... 详细信息

人口老龄化和医疗资源短缺的背景下,人工辅助老年人行走及运动康复的成本逐渐增加。外骨骼作为可穿戴运动辅助设备,可辅助老年人行走并协助患者康复训练。刚性外骨骼存在柔顺性不足、体积大和携带不便等问题。本文设计了一种柔顺性高、轻量便捷的柔性踝关节外骨骼,旨在辅助人体行走,降低人体能耗,减缓肌肉疲劳,并适用于更广泛的应用场景。首先,基于下肢运动分析,完成了踝关节外骨骼结构设计。分析了人体下肢运动解剖学和行走步态,利用OpenSim仿真分析踝关节运动生物力学特性,得到了关节运动数据。通过踝关节运动机理分析,构建了外骨骼概念系统。提出了外骨骼模块化的设计方案,并设计了一种基于鲍登线驱动的柔性踝关节外骨骼。其次,进行了人机耦合运动分析。建立了踝关节背屈和跖屈的人机耦合模型,分析踝关节与外骨骼的运动关系,获得电机输出力矩与踝关节角度的关系模型。建立人机运动学模型,并基于拉格朗日方程,建立了动力学模型。为外骨骼控制系统设计奠定了理论基础。随后,搭建了外骨骼控制系统。基于IMU的阈值算法实现步态事件检测,包括脚跟触地、平足、脚跟离地和脚趾离地。利用Hermite插值获得了踝关节角度和力矩轨迹函数。基于人机动力学模型设计了外环和内环外骨骼控制策略,外环基于Sigmoid函数实现了变导纳参数自适应控制,以调整踝关节位置误差,内环采用了PID位置控制。为行走控制实验奠定了基础。最后,制作外骨骼原型样机,并进行了人体表面肌电和代谢评估实验。肌电实验显示,腓肠肌和比目鱼肌的肌电信号平均降低率分别为8.32%和9.21%,最大降低率分别为9.32%和10.45%。代谢实验显示,穿戴外骨骼助力时平均减少了2.32%的代谢能耗,最高减少了2.59%的代谢能耗。实验证明了外骨骼在辅助人体行走时具有一定的助力效果。本文基于踝关节运动生物机理设计了柔性踝关节外骨骼。采用了鲍登线驱动,基于IMU实现了步态事件检测,建立了人机动力学模型,并基于模型实现了外骨骼外环变导纳参数自适应控制和内环PID位置控制。外骨骼通过补偿机制分担部分踝关节行走时的肌肉用力,以减少行走做功。通过人体表面肌电和代谢实验评估外骨骼功效,结果验证了系统的有效性,为外骨骼进入临床应用提供了参考。

关键词：踝关节外骨骼柔性驱动步态事件检测导纳控制助力评估

硫酸盐还原菌调控功能纳米金属硫化物制备及其性能研究

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硫酸盐还原菌调控功能纳米金属硫化物制备及其性能研究

作者：赵留辉齐鲁工业大学

学位级别：硕士

微生物在人类生产生活中发挥着重大作用,包括微生物发酵、微生物冶金等。近年来,微生物用于高性能纳米材料的制备由于其安全高效而被大量探索和利用,细菌因其多样性和对极端条件的高适应性而成为制造纳米材料的特别重要的工具。尤其是... 详细信息

微生物在人类生产生活中发挥着重大作用,包括微生物发酵、微生物冶金等。近年来,微生物用于高性能纳米材料的制备由于其安全高效而被大量探索和利用,细菌因其多样性和对极端条件的高适应性而成为制造纳米材料的特别重要的工具。尤其是金属硫化物作为常用的半导体纳米材料常常用于光催化、芬顿降解等方面的研究,其生物合成引起广泛关注,可有效解决其高能耗制备和低回收率等问题。因此,本文利用SRB的生物硫化合成过程与电流氧化反应相结合,提出了简单的一步电化学原位合成法,保持了金属硫化物的高催化性能,探究了其用于污染物降解及有害细菌治理的污水治理应用前景。本论文的主要研究成果如下:1)使用SRB培养液结合电流辅助在铜网表面原位合成了黑色的鳞片状CuS（CuS-Copper Mesh简称CSCM-SRB）。通过SEM和TEM对CSCM-SRB的微观形貌进行表征,发现通过在SRB介质中电解,可在铜网表面形成形状一致、均匀排列的鳞状CuS晶体,且CuS在铜网上的负载含量受电解参数的影响较大,最佳电流条件为电流密度3.75 m A/cm和电流时间900 s。通过XRD、XPS对铜网表面的化学组成及各元素的价态进行分析,证明了正交晶系的CuS在铜网上成功合成。此外,通过有/无SRB体系的电化学合成对比实验发现,SRB的存在及其产生的保外分泌物是在低硫离子浓度下合成CSCM-SRB的必要条件。通过条件优化,CSCM-SRB对亚甲基蓝（MB）的降解效率可达99%以上（120 min）,对***的杀菌效率接近100%（4 min）,反应过程符合准一级动力学模型。进一步对CSCM-SRB开展生物痕迹洗脱实验,通过XPS和FT-IR等分析,证明SRB吸附在CSCM-SRB上产生的有机化合物对CSCM-SRB降解MB的性能有显著促进作用。最后,提出了CSCM-SRB的类芬顿反应机理,通过自由基捕获试验结合EPR表征,证明在类芬顿反应中·O、·OH和O是主要的功能物质。2)为了解决CSCM-SRB添加量较大（1.2 cm/m L）的问题,在CSCM-SRB的制备基础上,通过使用循环伏安扫描（CV）的方法,将CuO掺杂进了CSCM-SRB（CuS/CuO-Copper Mesh简称CSOCM-SRB）。通过XRD、XPS表征,结合多晶衍射环比对,证明了立方晶系的CuO在CSCM-SRB表面成功掺杂。通过SEM和XRD的表征发现,CV各参数的变化对CuS/CuO的形貌和结晶度都有一定的影响,结合CSOCM-SRB类芬顿降解效果,得到最优的CV条件为CV循环10次、电位范围1.3-0.4 V、扫描速度10m V/s。通过对MB的降解效果的对比,证明CSOCM-SRB添加量（0.4 cm/m L）为CSCM-SRB的1/3,而降解效率为CSCM-SRB的4倍（30 min降解99%）。在添加量为0.4 cm/m L的条件下,CSOCM-SRB对***的杀菌率达到100%（4 min）。对CSOCM-SRB生物痕迹洗脱后降解性能的对比,结合FT-IR分析,证明SRB产生的生物大分子有机物质对CSOCM-SRB的性能也具有很强的促进作用。对比生物痕迹洗脱前后以及类芬顿反应前后CSOCM-SRB的XRD和XPS结果,证明生物洗脱会导致CuS与CuO结晶度发生变化,类芬顿反应会导致Cu+与Cu的相对含量发生变化,符合类芬顿反应机理。通过自由基捕获试验结合EPR表征,证明CSOCM-SRB类芬顿反应中,主要的功能物质是·O、·OH和O。最后设计了一种简单的污水处理装置,为实际环境中的应用提供了可能。综上所述,本论文利用SRB特殊的代谢特点,结合电流辅助,开发了一种在铜网上原位合成CuS和CuO的新方法,得到的材料具有高效的类芬顿降解和杀菌效果,并对其合成原理以及类芬顿降解和杀菌的机理进行了研究和解释。通过试验和表征进一步表明了SRB对材料合成的调控作用,以及SRB结合在材料上的大分子有机物对材料性能的影响,推动了SRB调控制备纳米金属硫化物的研究进展,为生物调控合成纳米金属硫化物提供了新思路。

关键词：生物合成硫酸盐还原菌功能纳米材料金属硫化物

金属蜂窝增强相变材料熔化储热试验与数值模拟

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储能科学与技术 2024年

作者：柴伟杰赵锡佳曹世豪河南建筑职业技术学院河南工业大学土木工程学院

金属蜂窝增强相变储能系统是提升潜热储能效率的先进技术之一。为了研究其熔化储热性能，首先设计出循环水加热系统，解决稳定、均匀热源问题。随后开展恒定温度下增强相变材料的熔化储热试验，获得热量传输和熔化边界演化特征。试验研... 详细信息

金属蜂窝增强相变储能系统是提升潜热储能效率的先进技术之一。为了研究其熔化储热性能，首先设计出循环水加热系统，解决稳定、均匀热源问题。随后开展恒定温度下增强相变材料的熔化储热试验，获得热量传输和熔化边界演化特征。试验研究发现，金属蜂窝主要通过提升热传导率、削弱自然对流运动以及改变熔化储热模式等角度影响熔化储热效率。为了量化金属蜂窝的影响，建立流-固-热三场耦合下的熔化储热计算模型。计算结果表明，5×5金属蜂窝构建的高导热通道可使热传导率提升39.7倍，同时将液相自然对流传热效应削弱至19.1%，整体熔化储热效率提升了67.1%。储热速率提升主要集中在0

关键词：金属蜂窝正十八烷熔化储热试验测试数值模拟

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层间积水对无砟轨道内孔隙水饱和度影响研究

铁道学报 2024年第2期46卷 140-149页

作者：曹世豪赵锡佳陈俊旗王建伟胡猛河南工业大学土木工程学院河南郑州450001 同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海201804

无砟轨道的耐久性与内部水分含量直接相关,但其孔隙水饱和度分布特性暂不明确。为了分析CRTSⅡ型板式无砟轨道内孔隙水饱和度,首先通过吸水试验测定CA砂浆的吸水率。然后建立无砟轨道内饱和度计算模型,设计的“稳态+瞬态”两步计算流程... 详细信息

无砟轨道的耐久性与内部水分含量直接相关,但其孔隙水饱和度分布特性暂不明确。为了分析CRTSⅡ型板式无砟轨道内孔隙水饱和度,首先通过吸水试验测定CA砂浆的吸水率。然后建立无砟轨道内饱和度计算模型,设计的“稳态+瞬态”两步计算流程解决了瞬态饱和度分析时的初始条件,并进一步分析了环境湿度、层间积水形式及吸水时间等因素对饱和度的影响。结果表明:砂浆的有效孔隙率为4.21%,吸水率为1.2255×10^(-11) m ^(2)/s。无水时,无砟轨道内形成的平衡饱和度沿深度方向近似服从三线性分布规律,其中砂浆层内饱和度年度差最高为6.52%。当砂浆层下存在单裂缝积水下,砂浆层内饱和度沿厚度分布将由线性向二次多项式转变。经过7 d的毛细吸水,砂浆层平均饱和度增幅为37.6%,轨道板底层钢筋处的饱和度提升至70%,而裂缝前缘受影响深度约为0.4 m。当砂浆层上下存在双裂缝积水下,积水区砂浆层的饱和度在1.5 d时可达到100%的饱和状态。

关键词：无砟轨道孔隙水饱和度层间积水毛细吸水

不同“碳达峰”情景下火电行业环境效益预测及分析

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中国电机工程学报 2024年第6期44卷 2236-2244,I0012页

作者：刘春景吕建燚徐卿金玉佳赵汶畅河北省电厂烟气多污染物控制重点实验室(华北电力大学环境科学与工程系) 河北省保定市071003

为了研究“碳达峰”目标下我国火电的环境效益,从我国“十四五”和2035年远景目标出发,基于Verhulst灰色模型建立环境效益目标预测模型,设置6种情景,达峰时间依次为2025—2030年;计算并分析不同情景下CO_(2)、SO_(2)、NO_(x)和颗粒物(pa... 详细信息

为了研究“碳达峰”目标下我国火电的环境效益,从我国“十四五”和2035年远景目标出发,基于Verhulst灰色模型建立环境效益目标预测模型,设置6种情景,达峰时间依次为2025—2030年;计算并分析不同情景下CO_(2)、SO_(2)、NO_(x)和颗粒物(particulate matter,PM)排放量和减排量。结果表明,所有情景中,2021年至达峰年,CO_(2)、SO_(2)、NO_(x)和PM的排放量逐渐上升,达峰后直到2035年快速下降。CO_(2)的减排量在2035年前出现正值的情景是2025年达峰和2026年达峰。2025年达峰时,2032—2035年的CO_(2)减排累积量为4.31亿t;2026年达峰时,2034年和2035年的CO_(2)减排累积量为0.77亿t。SO_(2)、NO_(x)和PM的减排量在2021~2035年都为正值。2025年达峰时,2021—2035年SO_(2)、NO_(x)和PM的减排累积量分别是1276.73、933.02和268.36万t,达峰年推迟将会导致2021—2035年SO_(2)、NO_(x)和PM的减排累积量逐渐减少。最后,根据研究结果提出了火电环境效益目标实现路径。

关键词：火力发电碳达峰二氧化碳大气污染物环境效益

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酚醛改性环氧类玻璃体的制备及其自修复性能

复合材料学报 2024年第8期41卷 4058-4072页

作者：廉维强赵小佳彭桂荣张思琪燕山大学材料科学与工程学院亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室秦皇岛066004 邯郸学院河北省杂环化合物重点实验室邯郸056005

类玻璃体(Vitrimer)在保持交联的状态下还具有塑性变形能力,意味着传统的热固性树脂具有了二次热加工成型的能力,有效地减少废品率,从源头减少垃圾。利用Vitrimer具有的塑性变形能力也可以进行材料自修复而延长使用寿命,从而对环境保护... 详细信息

类玻璃体(Vitrimer)在保持交联的状态下还具有塑性变形能力,意味着传统的热固性树脂具有了二次热加工成型的能力,有效地减少废品率,从源头减少垃圾。利用Vitrimer具有的塑性变形能力也可以进行材料自修复而延长使用寿命,从而对环境保护、减排作出贡献。本文以异辛酸亚锡为催化剂、酚醛树脂为改性剂制备了环氧Vitrimer材料。研究结果表明:催化剂含量的增加会使体系固化更加完全,因此对材料弯曲强度有一定的改善,最高可达到87.5 MPa。引入酚醛树脂后弯曲强度由改性前的87.5 MPa提高到126.9 MPa,拉伸强度达63.3 MPa。但酚醛树脂的加入量过高时,材料的交联密度有所降低,其力学性能在达到顶点后出现下降趋势。对酸酐固化的环氧Vitrimer体系松弛过程研究表明:增加催化剂含量和提高温度都可以降低材料的松弛时间,但是高温后固化会抑制松弛过程,影响自焊接强度。酚醛改性后材料的应力松弛明显快于纯酸酐固化的环氧试样。10mol%催化剂试样在180℃至190℃松弛速率产生一个突变,190℃明显加快,而酚醛的引入则可以将突变温度Ts提前到180℃。在无压力条件下,样品可以实现划痕的修复。在松弛的突变温度以上修复的试样剪切强度和划痕修复效果明显提高。相对未加酚醛样品,酚醛改性样品修复效果更好。催化剂对试样修复强度和修复速度有明显影响。

关键词：环氧类玻璃体(Vitrimer) 自修复松弛行为酚醛回收利用

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支持商密SM9算法框架的多因素认证方案

电子与信息学报 2024年第5期46卷 2137-2148页

作者：朱留富汪定南开大学网络空间安全学院天津300350 天津市网络与数据安全技术重点实验室天津300350 数据与智能系统安全教育部重点实验室天津300350

无线传感器技术使用公开无线信道且存储和计算资源受限,这使其容易遭受潜在的主动攻击(篡改等)和被动攻击(监听等)。身份认证是保障信息系统安全的第一道防线,如何为无线传感器设备设计多因素认证方案是目前安全协议研究的热点。目前,... 详细信息

无线传感器技术使用公开无线信道且存储和计算资源受限,这使其容易遭受潜在的主动攻击(篡改等)和被动攻击(监听等)。身份认证是保障信息系统安全的第一道防线,如何为无线传感器设备设计多因素认证方案是目前安全协议研究的热点。目前,大多数身份认证方案都基于国外密码标准设计,不符合国家核心技术自主可控的网络空间安全发展战略。商密SM9标识密码算法是中国密码标准,已由ISO/IEC标准化并被广泛使用。因此,该文研究如何在商密SM9标识密码算法框架下,将口令、生物特征以及智能卡相结合来设计多因素身份认证方案,并利用模糊验证技术和蜜罐口令方法增强口令安全。该文在随机谕言模型(Random Oracle Model, ROM)下证明了方案的安全性,并给出启发式安全分析。与相关身份认证方案的对比结果表明,该文提出的身份认证方案在提供安全性的同时能够适用于资源受限的无线传感器网络。

关键词：多因素认证国产密码随机谕言模型

有机化蒙脱土对聚氨酯防水涂料力学和老化性能的影响

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材料科学与工艺 2024年

作者：原梦佳何炎衡赵子腾余剑英武汉理工大学材料科学与工程学院

采用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH560）和十八烷基二甲基苄基氯化铵（ODBA）分别对蒙脱土（MMT）进行了有机化改性，制备了KH560表面修饰蒙脱土（KH560/MMT）和ODBA有机插层蒙脱土（ODBA/MMT），研究了不同蒙脱土对聚氨酯防水... 详细信息

采用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH560）和十八烷基二甲基苄基氯化铵（ODBA）分别对蒙脱土（MMT）进行了有机化改性，制备了KH560表面修饰蒙脱土（KH560/MMT）和ODBA有机插层蒙脱土（ODBA/MMT），研究了不同蒙脱土对聚氨酯防水涂料力学和老化性能的影响。结果表明，MMT、KH560/MMT和ODBA/MMT均可提高聚氨酯防水涂料的力学性能和抗老化性能，但KH560/MMT和ODBA/MMT对聚氨酯防水涂料力学性能和抗老化性能的改善效果明显优于MMT。与聚氨酯防水涂料相比，掺加5wt.%KH560/MMT的聚氨酯防水涂料的拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度和粘结强度分别提高了30.50%、9.87%、11.32%和16.55%，掺加5wt.%ODBA/MMT的聚氨酯防水涂料则相应提高了40.00%、11.68%、16.40%和21.38%。经25 d老化后，聚氨酯防水涂料热老化和紫外老化后的拉伸强度保持率(RT)和断裂伸长率保持率(RE)分别为67.50%、69.95%和66.50%、65.11%，而掺加5wt.%KH560/MMT的聚氨酯防水涂料老化后的RT和RE保持率分别为79.31%、80.23%和78.16%、78.30%，掺加5wt.%ODBA/MMT的聚氨酯防水涂料老化后的RT和RE保持率分别为83.57%、82.24%和81.43%、81.44%。相比KH560/MMT，ODBA/MMT对聚氨酯防水涂料的力学和老化性能具有更好的改善效果。

关键词：防水涂料聚氨酯蒙脱土力学性能老化性能

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相变材料融化储热中的自然对流增强效应研究

热能动力工程 2024年第8期39卷 128-136页

作者：张路曼赵锡佳曹世豪郑州工业应用技术学院建筑工程学院河南郑州451100 河南工业大学土木工程学院河南郑州450001

为了明确相变材料融化储热中的自然对流增强效应,开展侧边恒定热源下的相变石蜡融化储热试验,建立流-固-热三场耦合下的相变材料融化储热计算模型,分析自然对流传热影响的尺寸效应和方向性,并进一步研究加热温度和初始温度等因素对储热... 详细信息

为了明确相变材料融化储热中的自然对流增强效应,开展侧边恒定热源下的相变石蜡融化储热试验,建立流-固-热三场耦合下的相变材料融化储热计算模型,分析自然对流传热影响的尺寸效应和方向性,并进一步研究加热温度和初始温度等因素对储热效率的影响。结果表明:在侧边恒定温度热源下,方腔内液相自然对流运动将导致倾斜状的融化前缘,融化储热效率提升了12.1倍;液相自然对流影响存在尺寸效应,在方腔边长小于2 mm后其增强效应基本可忽略不计;液相自然对流运动受热源方向影响显著,热源方向角由90°向270°旋转时,液相自然对流效应将被逐渐激活,流动状态将由单一大环流向若干无规则小环流转变,最终在底部热源下达到最大储热效率,并转变为波浪形的融化前缘形态;加热温度由60℃增至100℃时自然对流增强系数提升了20%,初始温度由25℃降至5℃时自然对流增强系数降低了10.2%。

关键词：相变材料融化储热自然对流增强效应