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可变刚度柔性手指的仿真与优化

中国科学：物理学、力学、天文学 2024年第6期54卷 70-80页

作者：张军诗张凡刘磊刘庚李鹏飞朱继宏张卫红西北工业大学机电学院西安710072 西北工业大学航空学院西安710072 西安理工大学机械与精密仪器工程学院西安710048 西北工业大学深圳研究院深圳518063 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710054

与传统的刚性手爪相比,柔性手爪使用的机械手指采用轻质、柔软的材料,具有接触灵活、适应性强的特点,可以用来抓取轮廓形状复杂的易碎物体.本文设计并制造了一种具有刚度调节能力的柔性机械手指.柔性手指由内部弯曲致动器和外部变刚度... 详细信息

与传统的刚性手爪相比,柔性手爪使用的机械手指采用轻质、柔软的材料,具有接触灵活、适应性强的特点,可以用来抓取轮廓形状复杂的易碎物体.本文设计并制造了一种具有刚度调节能力的柔性机械手指.柔性手指由内部弯曲致动器和外部变刚度外套构成,并在气动压力的驱动下工作.首先,通过有限元分析的方法对气动弯曲致动器的参数进行了优化;然后,利用RVE代表体元法建立了变刚度外套中纤维介质堵塞现象的分析方法;最后,结合刚度可调外套,展示了柔性手指的变刚度能力,同时,将三根相同的柔性手指组装成柔性手爪,研究发现变刚度外套使得手爪的抓取力增强了两倍以上.本文所提出的柔性手指在柔性机器人领域具有很大的应用潜力.

关键词：柔性手指弯曲变形可变刚度有限元分析优化设计

nNaBO对钛合金微弧氧化涂层耐磨和耐腐蚀性能的影响

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表面技术 2024年

作者：师文海海几哲单春龙张相哲杨清炜马学海新疆大学机械工程学院新疆师范大学心智发展与学习科学重点实验室新疆医科大学第六附属医院

目的提高钛合金微弧氧化(Microarcoxidation，MAO)涂层的耐磨和耐腐蚀性能，探究更优复合电解液。方法在磷酸盐和硅酸盐电解液中，通过分别加入不同含量的四硼酸钠，改变氧化过程中的化学反应和微弧放电类型来降低涂层表面的粗糙度、... 详细信息

目的提高钛合金微弧氧化(Microarcoxidation，MAO)涂层的耐磨和耐腐蚀性能，探究更优复合电解液。方法在磷酸盐和硅酸盐电解液中，通过分别加入不同含量的四硼酸钠，改变氧化过程中的化学反应和微弧放电类型来降低涂层表面的粗糙度、改变涂层内部结构、厚度和二氧化钛的相变，最终提高涂层的耐磨性能和耐腐蚀性能。结果在硅酸盐电解液中，四硼酸钠的加入使得涂层表面粗糙度Sa从5.408μm降到了1.089μm，涂层表面突起颗粒物消失并形成孔状结构，相比TC4钛合金自腐蚀电流密度降低了2-3个数量级，磨损量也大大降低。在磷酸盐电解液中添加四硼酸钠也表现出相同的趋势。结论四硼酸钠不仅可以通过溶解涂层表面氧化物的作用，降低涂层表面粗糙度；还可以通过形成新的微弧放电类型，增加涂层的厚度和改变其内部结构。其中在两种基电解液中加入5 g/L的四硼酸钠得到的涂层在各自组中均显示出最优性能，同时发现，在模拟体液中进行摩擦实验时，MAO涂层可诱导羟基磷灰石润滑层形成保护基底。四硼酸钠的加入提高了涂层的亲水性，在摩擦实验中诱导形成更多的羟基磷灰石。其中，磷酸盐基电解液形成的涂层亲水性更好，在摩擦过程中诱导形成的磷灰石含量是硅酸盐涂层的数倍。

关键词：钛合金添加剂微弧氧化电解液四硼酸钠耐磨性能

基于改进Canny算子的管道GMAW熔池边缘检测

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现代制造工程 2024年第5期 121-126页

作者：康峰薛瑞雷刘泽庆刘宏胜新疆大学智能制造现代产业学院乌鲁木齐830017

针对管道焊接过程中因受弧光、焊丝和电弧遮挡等多种因素的影响,致使熔池轮廓边缘难以准确提取的问题,提出一种改进传统Canny算子的熔池边缘检测算法。首先通过引导滤波代替高斯滤波对熔池图像进行保边去噪;其次在水平和竖直方向的检测... 详细信息

针对管道焊接过程中因受弧光、焊丝和电弧遮挡等多种因素的影响,致使熔池轮廓边缘难以准确提取的问题,提出一种改进传统Canny算子的熔池边缘检测算法。首先通过引导滤波代替高斯滤波对熔池图像进行保边去噪;其次在水平和竖直方向的检测基础上增加45°和135°对角线方向的梯度模板计算梯度分量;最后利用局部自适应阈值代替非极大值抑制技术的双阈值的全局固定方法完成熔池的边缘检测,同时结合形态学处理技术,提高边缘提取的抗噪性和自适应性。实验结果表明:通过不同的摆宽实验,将通过改进算法提取的熔池宽度与焊接完成后的焊缝宽度进行校验,提取的熔池宽度准确率大于95.56%,误差不超过0.3 mm,能满足熔化极气体保护焊(GMAW)熔池宽度测量精度的要求。

关键词：管道焊接 Canny算子边缘提取形态学处理

不确定采摘环境下改进RRT算法的机械臂路径规划研究

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中国农机化学报 2024年第4期45卷 193-198,F0003页

作者：李晓娟陈涛韩睿春刘建璇新疆大学机械工程学院乌鲁木齐市830000

由于果蔬采摘环境的不确定性和复杂性,机械臂在复杂环境中完成采摘,其路径规划需考虑实时避障。为实现采摘机械臂在不确定环境下安全采摘,提出一种改进RRT的动态避障算法,以提升机械臂在不确定采摘环境的适应性。针对基本快速扩展随机... 详细信息

由于果蔬采摘环境的不确定性和复杂性,机械臂在复杂环境中完成采摘,其路径规划需考虑实时避障。为实现采摘机械臂在不确定环境下安全采摘,提出一种改进RRT的动态避障算法,以提升机械臂在不确定采摘环境的适应性。针对基本快速扩展随机树算法(Rapidly-exploring Random Trees,RRT)在动态环境下迭代时间长、路径长、适应性差等问题,在RRT算法的基础上,引入目标导向策略,把终点以一定概率作为随机采样点的采样方向,提高算法的迭代效率;引入动态检测机制,对已完成规划的初始路径进行实时检测,使算法适应动态变化的环境。通过仿真分析改进RRT算法,结果表明:改进RRT算法的路径减少16%,迭代时间缩短86.5%;同时,动态检测机制使算法适应动态环境。

关键词：果蔬采摘机械臂快速扩展随机树动态避障目标导向动态检测路径规划

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果园树干检测与导航线拟合算法研究

中国农机化学报 2024年第8期45卷 217-222页

作者：许贞辉李晓娟新疆大学机械工程学院乌鲁木齐市830000

行间机械自主导航有助于提高果品生产效率,降低人工成本。树木是行间导航的天然地标,可以为机器人提供导航信息。结合深度学习和最小二乘法,提出一种基于机器视觉的行间导航场景的导航线提取方法。首先,收集实际环境下的树干图像,并对... 详细信息

行间机械自主导航有助于提高果品生产效率,降低人工成本。树木是行间导航的天然地标,可以为机器人提供导航信息。结合深度学习和最小二乘法,提出一种基于机器视觉的行间导航场景的导航线提取方法。首先,收集实际环境下的树干图像,并对图像进行翻转、裁剪等操作扩充树干数据集;其次,构建YOLOv5网络模型,并基于该模型来对行间树干进行识别,提出利用识别框下边中点替换根部中点的方法,以此来确定树行拟合的定位基点;最后,基于最小二乘法完成果园单侧树行线和树行中心线的拟合。试验结果表明,所构建的YOLOv5网络检测模型对树干的平均识别正确率为85.5%。所提出的根点替换定位法的直线像素距离平均误差为5.1像素,树行中心导航线的平均横向偏差为5.8像素,符合行间导航的要求。

关键词：果园导航深度学习 YOLOv5 树干识别根点替换直线拟合

喷墨打印成形固体氧化物燃料电池复合陶瓷阴极及其电化学性能研究

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机械工程学报 2024年第17期 321-329页

作者：王煊熊鼎宇屈飘刘长勇陈张伟深圳大学增材制造研究所深圳大学广东省电磁控制与智能机器人重点实验室

本研究制备了一种镧锶钴铁-钨酸钇（LSCF–YWO）复合阴极陶瓷墨水，并对其各项性能进行了表征和优化，从而获得优异的流变特性和喷墨打印性能。通过对喷墨打印技术工艺参数的研究，成功打印制造获得了表面形貌优异的LSCF–YWO阴极层。... 详细信息

本研究制备了一种镧锶钴铁-钨酸钇（LSCF–YWO）复合阴极陶瓷墨水，并对其各项性能进行了表征和优化，从而获得优异的流变特性和喷墨打印性能。通过对喷墨打印技术工艺参数的研究，成功打印制造获得了表面形貌优异的LSCF–YWO阴极层。通过平衡阴极层和GDC层之间的热膨胀系数不均矛盾，有效解决了固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell, SOFC）运行过程中阴极开裂和分层的难题，使SOFC的电化学性能得到大幅提升。基于热重分析制订阴极层烧结工艺，可进一步避免烧结后阴极表面裂纹的产生，从而制造出表面形貌优异的阴极。增加阴极层的打印厚度可进一步提高SOFC的功率密度。在打印层数为30层，即层厚达到15.32μm时，SOFC的最大功率密度达到1149.8 mW·cm–2。本研究对喷墨打印制造高性能SOFC电极组件具有一定指导意义。

关键词：喷墨打印陶瓷墨水热膨胀电化学性能烧结工艺

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3D打印梯度多孔钛合金支架表面纳米结构化改性

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热加工工艺 2024年第9期53卷 117-121页

作者：王浩海几哲单春龙刘飞新疆大学机械工程学院新疆乌鲁木齐830000 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室陕西西安710000 新疆医科大学第六附属医院新疆乌鲁木齐830000

通过3D打印技术制备具有梯度结构的微米级多孔钛合金支架,解决了不同患者对骨缺损修复支架的个性化需求。然而,由于钛合金本身的生物惰性,多孔钛合金支架植入人体后骨整合能力较差。为提高支架的生物活性,采用电化学阳极氧化对多孔支架... 详细信息

通过3D打印技术制备具有梯度结构的微米级多孔钛合金支架,解决了不同患者对骨缺损修复支架的个性化需求。然而,由于钛合金本身的生物惰性,多孔钛合金支架植入人体后骨整合能力较差。为提高支架的生物活性,采用电化学阳极氧化对多孔支架表面进行纳米结构化改性。本文探究了氧化电压、氧化时间和电解液对梯度多孔钛合金表面制备TNTs(二氧化钛纳米管)的影响规律。结果表明,采用两次阳极氧化的方法,电解液为0.3wt%氟化铵+2vol%去离子水+1.5mol/L乳酸的乙二醇溶液,氧化电压为100 V,氧化时间为1 h时,可在支架表面制备出形貌高度有序的TNTs涂层。对氧化处理后的多孔钛合金支架进行500℃退火处理,表面TNTs涂层的晶型结构由无定型结构转变为更有利于蛋白吸附和细胞增殖的锐钛矿和金红石的混合晶型结构。通过电化学腐蚀试验发现经过阳极氧化处理的多孔钛合金支架具有更好的耐腐蚀性。

关键词： 3D打印多孔钛合金阳极氧化表面改性

PCL/ASA药物控释系统结构拓扑优化及瞬态释药性能

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工程塑料应用 2024年第2期52卷 87-93页

作者：高扬孟繁舒闵浩楠剌焕军陈磊后振中西安科技大学机械工程学院西安710054 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710049 西安科技大学材料科学与工程学院西安710054

以聚己内酯(PCL)为载体材料,阿司匹林(ASA)为待释放药物,提出一种PCL/ASA药物控释系统,以实现医工结合背景下药物控释系统的个性化定制及释药量的参数化调节。首先,基于菲克扩散定律建立了PCL/ASA药物控释系统的释药模型,以设计域平均... 详细信息

以聚己内酯(PCL)为载体材料,阿司匹林(ASA)为待释放药物,提出一种PCL/ASA药物控释系统,以实现医工结合背景下药物控释系统的个性化定制及释药量的参数化调节。首先,基于菲克扩散定律建立了PCL/ASA药物控释系统的释药模型,以设计域平均浓度与目标浓度之差的最小值作为优化目标,采用拓扑优化方法对PCL/ASA药物控释系统的结构进行拓扑优化设计。其次,对所获得的拓扑优化结构进行几何重构,得到清晰的流道结构,并研究了不同药物储库形状和流道结构对瞬态释药性能的影响。最后,制备PCL/ASA药物控释系统并进行体外药物释放实验,验证了优化方法和模型的合理性。结果表明,几何重构方法可以很好地保留拓扑优化的流道结构,具备较高的可靠性。拓扑优化方法所获得的流道结构展现出较好的药物控释性能,药物释放趋势趋于零级释放。基于拓扑优化设计的PCL/ASA药物控释系统可以在35.03~43.86 mol/m3范围内实现ASA浓度的参数化调节,呈现出较好的释药量调节能力。该研究为医工结合背景下优化药物控释系统结构、实现按需给药提供了一种新的手段。

关键词：聚己内酯拓扑优化药物控释系统几何重构释药性能

芪丹通脉片对阿霉素诱导扩张型心肌病大鼠lncRNA XIST表达的影响

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现代生物医学进展 2024年第2期24卷 211-218页

作者：薛松妍薛强余楠楠王雪颖王睿琪马静空军军医大学第一附属医院中医科陕西西安710032 空军军医大学第一附属医院心内科陕西西安710032

目的:探究芪丹通脉片(QDTM)对阿霉素诱导扩张型心肌病(DCM)大鼠的治疗作用及其对长链非编码RNA(lncRNA)X-无活性特异性转录物(XIST)表达的影响。方法:将大鼠分为Con组(n=12)、DCM组(n=13)、L-QDTM组(n=13)、M-QDTM组(n=13)、H-QDTM组(n=13)。Con组大鼠为正常对照大鼠,其他组大鼠均为阿霉素诱导的扩张型心肌病模型大鼠。Con组和DCM组大鼠灌胃生理盐水,L-QDTM组、M-QDTM组和H-QDTM组大鼠分别灌胃500、1000和2000 mg/kg/d的芪丹通脉片浸膏干粉,每日给药1次,共4周。治疗结束后,分别检测各组大鼠的心功能参数,血清心肌损伤指标和心肌组织氧化应激指标。通过心肌组织苏木素伊红(HE)染色、Masson三色染色和TUNEL染色观察心肌形态变化、纤维化和细胞凋亡情况。通过RT-qPCR检测心肌组织中XIST、collagen I、collagenⅢ、TGF-β1、Bax和Bcl-2的转录水平。结果:与Con组比较,DCM组大鼠的左室射血分数(LVEF)和左室短轴缩短率(FS)降低,左室舒张末期内径(LVIDd)和左心室收缩末期内径(LVIDs)升高,乳酸脱氢酶(LDH)、肌酸激酶(CK)和心肌肌钙蛋白I(cTnI)升高;心肌出现明显损伤,纤维化面积升高;collagen I、collagenⅢ和TGF-β1的m RNA水平均升高,TUNEL阳性率升高;Bax m RNA水平升高,Bcl-2 m RNA水平降低,超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)水平降低,丙二醛(MDA)水平升高,XIST水平升高(均P<0.05)。与DCM组比较,L-QDTM组、M-QDTM组和H-QDTM组的LVEF和FS均升高,LVIDd和LVIDs均降低,LDH、CK和cTnI均降低;心肌损伤减轻,纤维化面积降低;collagen I、collagenⅢ和TGF-β1的m RNA水平均降低,TUNEL阳性率降低;Bax m RNA水平降低,Bcl-2 m RNA水平升高,SOD和CAT水平升高,MDA水平均降低,XIST水平降低(均P<0.05)。结论:本研究表明芪丹通脉片在治疗阿霉素诱导扩张型心肌病大鼠中效果显著,其机制可能与抑制lncRNA XIST有关。

关键词：芪丹通脉片阿霉素扩张型心肌病 lncRNA XIST 细胞凋亡纤维化