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面向在轨建造的空间机器人末端执行器及适配接口设计与验证

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机械工程学报 2024年第3期60卷 1-10页

作者：赵亮亮刘子毅赵京东段启帆王梓睿刘宏哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001

针对大型空间设施在轨建造任务需求,以空间多分支机器人为应用对象,设计了一种末端执行器及三种适配接口,用于完成识别、定位、捕获、搬运、装配、攀爬和探测等任务。通过分析在轨建造任务需求,以装配对象参数、机器人性能等为依据提出... 详细信息

针对大型空间设施在轨建造任务需求,以空间多分支机器人为应用对象,设计了一种末端执行器及三种适配接口,用于完成识别、定位、捕获、搬运、装配、攀爬和探测等任务。通过分析在轨建造任务需求,以装配对象参数、机器人性能等为依据提出了设计指标。制定了末端执行器机械结构、电气系统的总体方案,并设计了三种适配接口;针对容差需求,分析了对接过程的容差条件和力学条件,优化了关键部件几何参数;针对锁紧需求,建立了锁紧过程运动学、力学模型,并采用组合运动规律,优化了圆柱凸轮曲线槽。通过仿真及试验,验证了容差、锁紧设计的正确性,并进行在轨装配、在轨攀爬的地面模拟试验,进一步验证了末端执行器及适配接口的性能,为大型空间设施的在轨建造奠定了基础。

关键词：在轨建造空间机器人末端执行器适配接口对接锁紧

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超声波钻谐振控制算法设计及试验验证

哈尔滨工业大学学报 2024年第4期56卷 73-82页

作者：全齐全金亦康张秋葵唐德威邓宗全机器人技术与系统国家重点实验室(哈尔滨工业大学) 哈尔滨150001

为解决小天体表面引力小及温差变化大难以实现锚固的问题,提出以超声波钻作为锚固工具并采用模糊控制和恒流控制相结合的策略,实现了低钻压力和高低温环境条件下的超声波钻钻进锚固。压电驱动的超声波钻将高频电能转化为高频机械振动,... 详细信息

为解决小天体表面引力小及温差变化大难以实现锚固的问题,提出以超声波钻作为锚固工具并采用模糊控制和恒流控制相结合的策略,实现了低钻压力和高低温环境条件下的超声波钻钻进锚固。压电驱动的超声波钻将高频电能转化为高频机械振动,驱动钻具高频破碎岩石,具有极低钻压力的显著优势,尤其适用于弱引力小天体的钻进锚固作业。针对超声波钻的驱动,对超声波钻的谐振控制算法进行研究。首先,建立超声波钻换能器的等效电路模型,在等效模型基础上研究换能器的阻抗特性、负载特性、温度特性和滞后特性。其次,根据超声波钻的工作特性研究谐振频率识别算法、谐振频率跟踪算法和恒电流控制算法,针对谐振频率跟踪算法研究了基于递归最小二乘估计的频率跟踪算法和基于模糊控制的频率跟踪算法,并对实际控制效果进行对比分析。最后,进行常温常压和高低温环境下钻进试验,试验结果表明,在不同温度环境和不同的钻进对象条件下,所设计的谐振控制算法能够实现对超声波钻的稳定驱动。研究结果表明,所提出的模糊控制和恒流控制能够有效的在低钻压力以及不同温度下实现有效钻进。

关键词：小行星附着锚固超声波钻谐振控制递归最小二乘法模糊控制

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肌肉协同理论在脑卒中上肢康复中的研究进展

机器人 2024年第3期46卷 370-384页

作者：盛译萱常辉王志永曹锐凯刘洪海哈尔滨工业大学(深圳)机器人技术与系统国家重点实验室广东深圳518055

肌肉协同理论在脑卒中上肢康复中的应用有望为临床康复的标准化评估和干预提供新的技术手段和指导策略。本文针对基于肌肉协同理论的人体运动模块化策略,总结了肌肉协同的数学模型和特点,重点分析了近年来肌肉协同理论在脑卒中上肢康复... 详细信息

肌肉协同理论在脑卒中上肢康复中的应用有望为临床康复的标准化评估和干预提供新的技术手段和指导策略。本文针对基于肌肉协同理论的人体运动模块化策略,总结了肌肉协同的数学模型和特点,重点分析了近年来肌肉协同理论在脑卒中上肢康复中的研究现状,主要包括运动损伤评估、康复效果评估、康复干预指导和康复机器人有效性评价4个方面。然后分析了肌肉协同理论发展所面临的挑战。最后对肌肉协同理论在临床康复应用的研究进程进行总结,并对未来发展趋势进行展望。

关键词：肌肉协同运动控制脑卒中康复功能评估康复干预

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空间大型可展开环形张拉机构动力学特性分析

机械工程学报 2024年第12期60卷 344-354页

作者：赵宏跃史创郭宏伟刘荣强哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001

空间环形张拉机构是实现天线口径大型化的理想结构形式之一。为了研究环形张拉结构的动力学特性,首先介绍空间环形张拉结构的系统组成,然后对张拉结构的环形桁架进行了运动学分析。根据铰链节点的展开速度,对其展开过程进行运动规划。... 详细信息

空间环形张拉机构是实现天线口径大型化的理想结构形式之一。为了研究环形张拉结构的动力学特性,首先介绍空间环形张拉结构的系统组成,然后对张拉结构的环形桁架进行了运动学分析。根据铰链节点的展开速度,对其展开过程进行运动规划。然后基于运动学结果建立环形桁架机构的动力学模型,通过牛顿—欧拉公式综合考虑了斜拉索索力、关节摩擦阻尼及关节锁紧力矩对动力学特性的影响,分析当机构采用无源驱动时,对斜拉索索力的影响规律。以斜拉索索力变化偏差均值及最大索力值最小为优化目标,对采用的弹簧驱动进行了优化设计,其中优化后的弹簧刚度降低了24.5%,拉索张力偏差均值及索拉力峰值分别降低了45.2%和41.6%。最后研制了缩比原理样机,进行动力学试验,通过试验结果验证了动力学分析方法的正确性。

关键词：环形张拉机构运动学动力学分析驱动优化

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反映载荷影响的星球车车轮试验及模型研究

机械工程学报 2024年第14期60卷 263-271页

作者：袁野杨怀广丁亮兰清宁杨超杰高海波邓宗全哈尔滨工业大学机器人技术及系统国家重点实验室哈尔滨150080

星球车在上下坡或以蠕动、抬轮等步态移动时,车轮的垂直载荷会发生明显变化,分析载荷对轮地相互作用的影响可以对星球车地面巡视任务提供支持。利用单轮测试台进行多种载荷情况下的单轮试验,得出车轮沉陷量、驱动阻力矩和挂钩牵引力随... 详细信息

星球车在上下坡或以蠕动、抬轮等步态移动时,车轮的垂直载荷会发生明显变化,分析载荷对轮地相互作用的影响可以对星球车地面巡视任务提供支持。利用单轮测试台进行多种载荷情况下的单轮试验,得出车轮沉陷量、驱动阻力矩和挂钩牵引力随垂直载荷的变化规律。以240 kg火星车六轮均载的近似载荷值160 N作为典型情况,采用基于泰勒级数和Sobol方差分解的解析方法分析轮地相互作用模型中各参数的灵敏度。结果表明,承压特性参数沉陷指数和剪切特性参数土壤内摩擦角具有较高的灵敏度。结合试验数据及各参数灵敏度,分析车轮载荷对轮地相互作用模型的影响,建立反映载荷影响的沉陷指数模型,该模型对试验数据的拟合优度可达0.99,对挂钩牵引力的估计误差大部分在±5 N以内,对车轮沉陷量的估计误差不超过3 mm。

关键词：地面力学载荷影响沉陷指数灵敏度分析星球车

响应型固体功能表面的浸润性可逆调控研究进展

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机械工程学报 2024年第7期60卷 144-173页

作者：吴春亚孙瑞江侯博李曦光吴佳昊刘畅陈明君哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室哈尔滨150080 哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001

浸润性可逆调控响应型表面是一种通过外部刺激响应材料或形貌可控微观结构实现静态/动态浸润性可逆转换的固体表面,可有效解决传统特殊浸润表面性能单一、结构固定等问题,更符合基础研究和工程现场的多样化、时变性应用需求。着眼于表... 详细信息

浸润性可逆调控响应型表面是一种通过外部刺激响应材料或形貌可控微观结构实现静态/动态浸润性可逆转换的固体表面,可有效解决传统特殊浸润表面性能单一、结构固定等问题,更符合基础研究和工程现场的多样化、时变性应用需求。着眼于表面浸润性能主观调控中关键技术的发展态势,综述分析了响应型固体表面的类型特征、制备方法和应用前景。根据外部刺激类型,将响应型功能表面归纳为基于化学组成和基于微观结构两大类,重点围绕光响应型、温度响应型、pH响应型和磁场响应型等功能表面的响应材料、响应原理、调控机制及性能特点展开系统分析,聚焦于两类响应功能表面制备方法,梳理其基本原理、技术特色及其优劣性,并深入探讨了两类表面在可控油水分离、微液滴/流体操控等领域的潜在应用价值。最后指出了浸润性可逆调控表面在发展过程中需要面临的挑战和仍需注重解决的问题,希望能为后续人工响应型功能表面研究工作的大规模推进提供参考。

关键词：功能表面可逆调控浸润性响应类型制备方法应用前景

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基于CFD方法的无人潜水器运动特性分析

中国造船 2024年第1期65卷 213-222页

作者：郭佳奇李鹏秦洪德林忠宇哈尔滨工程大学水下机器人技术国家重点实验室哈尔滨150001 哈尔滨工程大学烟台研究院烟台264006

以经典的SUBOFF潜艇模型为研究对象,运用商业软件STAR-CCM+收集和分析该艇的速度信息,计算作用在艇体上的水动力。分别进行了斜航运动与纯横荡、纯摇艏运动仿真,求取相应的水动力系数。给出在4.5kn与6.5kn航速下的斜航模拟试验中模型所... 详细信息

以经典的SUBOFF潜艇模型为研究对象,运用商业软件STAR-CCM+收集和分析该艇的速度信息,计算作用在艇体上的水动力。分别进行了斜航运动与纯横荡、纯摇艏运动仿真,求取相应的水动力系数。给出在4.5kn与6.5kn航速下的斜航模拟试验中模型所受的垂向力与摇艏力矩,对它们与速度的关系进行拟合,计算相应的水动力系数。对模型进行纯横荡与纯摇艏数值模拟,通过拟合曲线求得相应的水动力系数。该研究对进一步研究无人潜水器水动力性能和运动控制具有重要参考意义。

关键词：水动力系数 SUBOFF 水动力性能 CFD

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3D打印制备金属盐掺杂熔石英玻璃

硅酸盐学报 2024年第5期52卷 1562-1569页

作者：彭可付华龙于天宇吴攀姚佳慧陈明君哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001 哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001

增材制造技术在制造复杂形状零件方面具有显着的优势,然而熔石英玻璃的3D打印技术仍有待开发。基于液晶显示3D打印成型技术,研究了脱脂、金属掺杂、烧结等工艺,并制备了致密透明的熔石英玻璃样件,研究掺杂Cr^(^(3+))、Co^(^(2+))2种金... 详细信息

增材制造技术在制造复杂形状零件方面具有显着的优势,然而熔石英玻璃的3D打印技术仍有待开发。基于液晶显示3D打印成型技术,研究了脱脂、金属掺杂、烧结等工艺,并制备了致密透明的熔石英玻璃样件,研究掺杂Cr^(^(3+))、Co^(^(2+))2种金属离子的熔石英玻璃致密化和光学吸收特性。研究发现掺杂含Cr^(^(3+))、Co^(^(2+))2种金属离子的熔石英玻璃具有独特的光学吸收性能,掺杂熔石英玻璃能保持无定型结构,可对特定波段光谱进行过滤,掺杂Cr^(^(3+))的绿色熔石英玻璃对波长471nm的蓝光和波长660 nm的红光过滤明显;掺杂Co^(^(2+))的蓝色熔石英玻璃对波长597 nm的黄光和波长662 nm的红光过滤明显,在集成复杂光学元件结构应用方面拥有一定的潜力。

关键词：熔石英玻璃液晶显示成型 3D打印金属盐掺杂

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半球谐振子关键性能及制造工艺研究新进展

机械工程学报 2024年第3期60卷 354-372页

作者：马传震刘赫男陈明君田金川周子涵孙建刚秦彪哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001 哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001

半球谐振陀螺具有结构简单、精度高、可靠性高、工作寿命长等特性,在国防军事、通信卫星、载人航天、天文观测、海洋工程等领域具有重大应用场景。半球谐振子作为半球谐振陀螺仪的核心器件,其加工质量直接影响半球谐振子的频率裂解和品... 详细信息

半球谐振陀螺具有结构简单、精度高、可靠性高、工作寿命长等特性,在国防军事、通信卫星、载人航天、天文观测、海洋工程等领域具有重大应用场景。半球谐振子作为半球谐振陀螺仪的核心器件,其加工质量直接影响半球谐振子的频率裂解和品质因数,进而影响半球谐振陀螺仪的工作精度和使用寿命,因此非常有必要对半球谐振子的性能及制造工艺进行研究。主要从半球谐振陀螺仪工作原理和研究历程、半球谐振子的频率裂解和品质因数、半球谐振子的制造工艺三个方面进行综述,重点分析了半球谐振子的频率裂解与品质因数的研究方法和最新进展以及半球谐振子的超精密磨削工艺和抛光工艺,并探讨分析了其在发展过程中面临的挑战和仍需要解决的问题,希望为后续精确计算、测量半球谐振子的频率裂解和品质因数,改进半球谐振子的制造工艺,提高半球谐振陀螺仪的导航精度提供参考。

关键词：半球谐振子频率裂解品质因数制造工艺