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移乘背抱护理机器人舒适性生物力学模型分析

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2024年第1期57卷 95-104页

作者：刘腾代吉张建军刘承磊郭士杰河北工业大学机械工程学院天津300130 天津大学装备设计与制造技术天津市重点实验室天津300350

为探索移乘背抱护理机器人人机交互力学特性与被护理人舒适性感受的潜在关联,研究显性的人机接触力相对于人体生物力学特性的映射关系,揭示影响被护理人舒适性的主要作用肌群,提出了舒适性测试试验与AnyBody背抱运动人体生物力学模型相... 详细信息

为探索移乘背抱护理机器人人机交互力学特性与被护理人舒适性感受的潜在关联,研究显性的人机接触力相对于人体生物力学特性的映射关系,揭示影响被护理人舒适性的主要作用肌群,提出了舒适性测试试验与AnyBody背抱运动人体生物力学模型相结合的方法.从被护理人的肌肉激活程度入手,对移乘背抱护理机器人背抱运动舒适性特征进行了分析.首先,介绍了移乘背抱护理机器人典型结构工作原理并进行了运动学分析,在此基础上搭建了舒适性测试试验系统,基于主观舒适性评分规划了服务于试验的基础运动轨迹,并通过试验得到了人机主要接触部位力学信息.然后,以试验数据为边界条件构建了基于AnyBody的背抱运动人体生物力学模型,依托逆动力学仿真分析得到了肌肉激活程度,并对比舒适性测试肌肉激活程度验证了仿真模型的有效性.最后,结合人机主要接触部位受力、肌肉激活程度及主观舒适性评分综合分析了移乘背抱护理机器人背抱运动舒适性特征,明确了影响被护理人舒适性的主要作用肌群.结果表明:影响被护理人舒适性的主要作用肌群有7个,且被护理人胸部压力与腋下压力值大小分别与影响其躯干和上肢舒适性的肌肉激活程度呈正相关.可通过建立胸部压力与腋下压力值相关的加权函数有效描述不同被护理人整体舒适性特征,为移乘背抱护理机器人舒适性运动控制提供了理论依据.

关键词：移乘背抱护理机器人人体生物力学模型肌肉激活程度背抱运动舒适性

往复运动对轴套式球面滚子研磨表面创成的影响研究

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中国机械工程 2024年

作者：丁嘉豪陈光苏涌翔孙永泉任成祖天津大学天津市装备设计与制造技术重点实验室天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室

为揭示轴套式球面滚子研磨新工艺中研具往复运动对球面滚子几何精度的影响规律，建立球面滚子运动学模型进行仿真计算，并基于Preston方程建立材料去除模型，推得球面滚子周向各角度的材料去除和滚动面纹理分布，然后开展球面滚子研磨... 详细信息

为揭示轴套式球面滚子研磨新工艺中研具往复运动对球面滚子几何精度的影响规律，建立球面滚子运动学模型进行仿真计算，并基于Preston方程建立材料去除模型，推得球面滚子周向各角度的材料去除和滚动面纹理分布，然后开展球面滚子研磨试验。结果表明：相对滑动率与仿真值的误差为8.33%～10.94%；极差百分比与滑动率修正的仿真值误差为11.2%～17.1%，且研磨后球面滚子的圆度误差最小值为0.78 μm；滚动面纹理偏角存在差异分布并与表面粗糙度呈正相关。试验结果证实运动学仿真分析的准确性，对提高轴套式球面滚子研磨工艺的圆度误差和表面粗糙度具有指导意义。

关键词：轴套式研磨工艺球面滚子运动学分析往复运动表面创成机制

多换流器直流系统的虚拟惯性评估与控制参数协调设计

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电力系统自动化 2024年第10期48卷 87-95页

作者：张可心朱琳赵学深李霞林郭力王成山智能电网教育部重点实验室(天津大学) 天津市300072 天津市智慧能源与信息技术重点实验室天津市300072

针对基于类虚拟同步发电机(AVSG)的多换流器直流系统遇到的非预期虚拟惯性问题,提出了一种多换流器直流系统虚拟惯性通用分析方法,有效修正了系统级等效AVSG外特性。首先,将多个AVSG控制回路等效为一个等值AVSG控制回路,建立了直流系统... 详细信息

针对基于类虚拟同步发电机(AVSG)的多换流器直流系统遇到的非预期虚拟惯性问题,提出了一种多换流器直流系统虚拟惯性通用分析方法,有效修正了系统级等效AVSG外特性。首先,将多个AVSG控制回路等效为一个等值AVSG控制回路,建立了直流系统的等值单台AVSG模型。其次,提出了一种系统级虚拟惯性评估方法,从等值单台AVSG模型的输出阻抗频域响应特性角度对系统级虚拟惯性进行评估。然后,讨论了电压比例-积分(PI)控制参数对虚拟惯性特性的影响,并开展了电压PI控制参数和虚拟惯性系数间的协调设计。最后,在PLECS仿真软件及RT-BOX硬件在环实验平台上搭建了多换流器直流系统的开关模型,通过多种实验工况验证了等值单台AVSG模型和控制参数协调设计的有效性和可行性。

关键词：类虚拟同步发电机输出阻抗直流系统等效降阶模型虚拟惯性协调设计

基于GA-BP神经网络的多层多道焊工艺预测及优化

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焊接学报 2024年第5期45卷 29-37页

作者：王天琪孟锴权王传睿天津工业大学天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387

针对目前多层多道焊工艺参数的选择问题,利用遗传算法(genetic algorithm, GA)对BP神经网络(back propagation neural network, BPNN)进行优化,提出多层多道焊成形预测及焊接工艺参数优化方法,旨在为工艺参数选取提供有效指导,提高焊接... 详细信息

针对目前多层多道焊工艺参数的选择问题,利用遗传算法(genetic algorithm, GA)对BP神经网络(back propagation neural network, BPNN)进行优化,提出多层多道焊成形预测及焊接工艺参数优化方法,旨在为工艺参数选取提供有效指导,提高焊接生产效率及焊接质量.首先通过分析多层多道焊图像,提出采用三次样条插值法与自适应分段法进行特征点识别,然后根据焊接顺序、焊道工艺建立焊接过程各焊道横截面积形状预测模型,运用解析法进行焊接工艺参数预测,进一步结合不同焊道工艺参数优选原则,采用改进神经网络进行焊接工艺参数优化,从而建立具有实时性的焊接工艺参数与焊缝轮廓关系模型.结果表明,该方法对多层多道焊中各焊道焊接工艺参数提供有效预测,试验结果满足实际需求,对提高焊接产品质量、简化焊接工艺参数选取具有实际意义.

关键词：工艺参数优化图像处理解析法预测神经网络优化

基于电弧声信号的窄间隙脉冲熔化极气体保护焊侧壁熔合状态在线识别

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中国机械工程 2024年第2期35卷 244-250,259页

作者：岳建锋龙新宇黄云龙郭嘉龙刘文吉天津工业大学天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387

为在焊接过程中实时了解焊缝内部的焊接状况,构建了电弧声信号实时采集系统。在焊枪摆动中心处于不同位置的情况下,进行了电弧声信号特征与侧壁熔合状态的相关性分析。分别从时域与频域中提取了与侧壁熔合状态相关性较强的电弧声特征。... 详细信息

为在焊接过程中实时了解焊缝内部的焊接状况,构建了电弧声信号实时采集系统。在焊枪摆动中心处于不同位置的情况下,进行了电弧声信号特征与侧壁熔合状态的相关性分析。分别从时域与频域中提取了与侧壁熔合状态相关性较强的电弧声特征。为进一步提高熔合状态预测的有效性,采用电弧声特征参量构建了支持向量回归的侧壁熔合状态识别模型。为减小不良特征对识别模型的影响,显著提高模型的识别精度,采用遗传算法进行了参数寻优。参数寻优后模型的总体识别率达93.33%,实现了窄间隙侧壁熔合状态的有效识别。

关键词：窄间隙焊电弧声侧壁熔合支持向量机脉冲熔化极气体保护焊

Tri-Arc双丝焊“Γ”形电弧及其促进方法

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焊接学报 2024年第2期45卷 54-60,I0006页

作者：钟蒲李亮玉任国春王天琪郭东波天津工业大学天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387

Tri-Arc双丝三电弧焊通过中间第3弧的M弧重新分配焊接热输入,实现高熔覆率低热输入焊接.M弧与主电弧耦合,在整个动态周期表现为“Γ”形和“μ”形及其镜像形态.该文研究“Γ”形电弧的形成机理和热输入调控机制,结果表明,“Γ”形态由... 详细信息

Tri-Arc双丝三电弧焊通过中间第3弧的M弧重新分配焊接热输入,实现高熔覆率低热输入焊接.M弧与主电弧耦合,在整个动态周期表现为“Γ”形和“μ”形及其镜像形态.该文研究“Γ”形电弧的形成机理和热输入调控机制,结果表明,“Γ”形态由“μ”形态转变而来,熔滴振荡引起焊丝末端间距的变化,从而促进耦合电弧“Γ”形态的形成,此时M弧不作用于母材,比“μ”形电弧焊接热输入更低.为提高Tri-Arc双丝焊接低热输入效果,在维持导电嘴末端到工件距离不变的前提下,提高焊枪枪体抬升距离从而改变焊丝末端间距.当导电嘴长度由30 mm增加至35 mm时,随着焊枪抬升,“Γ”形电弧作用时间逐渐增加,能更好地促进电弧热分配,降低Tri-Arc双丝焊接热输入,从而降低熔池最高温度,获得更小宽高比和更小熔深的焊缝.

关键词：双丝三弧焊电弧耦合电弧形态电弧热分配焊接热输入

变截面单元环状周期结构固有频率分裂规律研究

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机械工程学报 2024年第7期60卷 114-123页

作者：高楠王世宇夏春花魏振航天津大学机械工程学院天津300354 天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300354 天津市非线性动力学与控制重点实验室天津300354

在实际工程应用中,环状周期结构往往存在变截面单元。针对因变截面单元周期特性而导致的固有频率分裂现象,基于力矩平衡关系,采用Hamilton原理建立一般性动力学模型。以贯穿孔为例,基于经典振动理论得到固有频率及其分裂规律。考虑分组... 详细信息

在实际工程应用中,环状周期结构往往存在变截面单元。针对因变截面单元周期特性而导致的固有频率分裂现象,基于力矩平衡关系,采用Hamilton原理建立一般性动力学模型。以贯穿孔为例,基于经典振动理论得到固有频率及其分裂规律。考虑分组模式拓扑构型,推导具体消除频率分裂的规则,深入分析贯穿孔的孔径、数量和位置等参数对频率及其分裂行为的影响。设计试件并搭建实验台验证理论模型的正确性和消除规则的有效性。研究结果表明:由于贯穿孔使局部质量和弯曲刚度同时减小,进而导致固有频率改变,增大孔径和数量使重频频率减小,使分裂频率的分裂程度增大;保持孔径的一致性和位置的对称性可有效消除分裂。该研究方法和结论可用于工程领域类似周期结构动力学问题的研究并指导结构的设计。

关键词：环状周期结构变截面单元固有频率分裂分组模式消除规则

基于相位调谐的旋转摆盘发动机驱动机构运动与受力分析

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机械工程学报 2024年第3期60卷 109-119页

作者：魏振航王世宇夏春花天津大学机械工程学院天津300350 天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300350 天津市非线性动力学与控制重点实验室天津300350

旋转摆盘发动机具有结构紧凑和比功率大等优点,广泛应用于潜航器和鱼雷等军事装备中。利用坐标变换矩阵求得了摆盘轨迹、活塞位移和连杆摆角的解析表达式,揭示了斜轴夹角和摆盘半径等结构参数对摆盘运动和连杆摆角的影响规律。考虑活塞... 详细信息

旋转摆盘发动机具有结构紧凑和比功率大等优点,广泛应用于潜航器和鱼雷等军事装备中。利用坐标变换矩阵求得了摆盘轨迹、活塞位移和连杆摆角的解析表达式,揭示了斜轴夹角和摆盘半径等结构参数对摆盘运动和连杆摆角的影响规律。考虑活塞分布的空间对称性以及燃气压力变化的时间对称性,利用相位调谐原理分析了摆盘的受力特征,揭示了燃气压力谐波阶次和活塞个数对摆盘受力的影响规律。研究结果表明,摆盘边缘的运动轨迹呈球面“8”字形;由于连杆的空间摆动,活塞位移并非连杆大头位移沿活塞轴向的分量;通过调整活塞个数与燃气压力谐波阶次之间的组合关系,可平衡摆盘上的力或力矩。

关键词：摆盘发动机驱动机构运动规律受力分析相位调谐

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应用于半导体激光器的高精度温控系统设计

红外与激光工程 2024年第4期53卷 67-77页

作者：叶茂杜恩斯王秋玮赵毅强天津大学天津市成像与感知微电子技术重点实验室天津300072 天津大学微电子学院天津300072

面向半导体激光器温控系统的高精度、高速与高集成化的需求,设计了一款高精度、快速响应、高集成化、低成本的数模混合架构温控系统。该系统以FPGA为控制核心,硬件部分包括由三线制惠斯通电桥、仪表放大器、模数转换器组成的温度信号采... 详细信息

面向半导体激光器温控系统的高精度、高速与高集成化的需求,设计了一款高精度、快速响应、高集成化、低成本的数模混合架构温控系统。该系统以FPGA为控制核心,硬件部分包括由三线制惠斯通电桥、仪表放大器、模数转换器组成的温度信号采集与调理模块,全桥降压电路驱动模块,热电制冷器模块等。针对热敏电阻和电桥的非线性误差,提出了一种可变控温零点的温度信号调理方法,该方法基于迭代与多目标最优化算法,提高了控温精度,同时降低了仪表放大器与模数转换器的指标要求,从而降低了系统成本。针对温度滞后大、延迟高的特点,控温策略采用了抗饱和积分的PID(AWPID)自动控制方法,从而降低超调,加快收敛速度。测试结果表明,该温控系统在-45~75℃的温度范围内,实现了±0.02℃的控温精度,相较于固定控温零点的温控系统最大0.1951℃的控温精度提高了89.7%。与传统PID控制算法相比,AWPID控制算法将超调从9.13%降低到1.5%,将稳定时间从41 s降低到30 s。稳定性测试表明,该温控系统能够在长时间内保持±0.02℃的控温精度,满足稳定性要求。该系统具有高精度、快速响应、高集成化、低成本的特点,为半导体激光器的复杂应用场景提供了高精度的温度保障。

关键词：半导体激光器高精度温度控制可变控温零点最优化算法抗饱和积分PID