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面向实际工程需求的点阵—实体协同一体化设计方法研究

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面向实际工程需求的点阵—实体协同一体化设计方法研究

作者：周鑫齐鲁工业大学

学位级别：硕士

随着工业4.0的到来,机械结构的轻量化设计逐渐被重视。使用多孔结构替代实体结构减轻其重量以及通过理论分析或数值模拟求解出结构的受力薄弱区域并去除均可以有效提高结构的轻量化水平。为了在保证结构的强度基础上进一步提高结构的轻... 详细信息

随着工业4.0的到来,机械结构的轻量化设计逐渐被重视。使用多孔结构替代实体结构减轻其重量以及通过理论分析或数值模拟求解出结构的受力薄弱区域并去除均可以有效提高结构的轻量化水平。为了在保证结构的强度基础上进一步提高结构的轻量化水平,面向实际工程需求开展点阵-实体协同一体化设计方法研究至关重要。本文基于六种点阵结构的力学性能分析,筛选出等体积分数下力学性能更好的点阵构型;针对某型螺栓拧紧机上关键零件的实际工程需求,明确其工作状态下的载荷、约束及边界条件,开展拓扑优化设计;将点阵结构填充进拓扑优化后的实体结构,在保证轻量化设计的前提下进一步提高了零件的极限负载以及使用寿命。主要结论如下:(1)不同点阵结构的力学性能不同,通过点阵结构力学压缩仿真与试验结果可以看出,在设置单胞边长尺寸及体积分数相同的约束条件下,四面体片面结构的力学性能最好,同时试验与仿真的最大误差控制在20%以内,仿真结果可靠。(2)面向工程实际需求对某型螺栓拧紧机关键零件进行工况分析,在此基础上进行实体拓扑优化设计,获取了适合螺栓拧紧机工况下的实体结构;并在此基础上引入了点阵结构替代去除区域完成了点阵-实体协同一体化设计。(3)针对三种关键零件的初始实体结构、拓扑优化结构以及点阵-实体协同结构开展了力学仿真和试验,对比分析了其对应工况下的极限载荷、破坏形态以及应力集中情况,分析其各自的力学性能。结果发现,三种关键零件的初始实体结构的极限载荷最大,但是其质量较高;拓扑优化结构的质量最轻,但是其极限载荷远小于初始实体结构;相比之下,点阵-实体协同结构的质量较初始实体结构有较大的优势,其力学性能仍能保持较好的优势。(4)针对关键零件中的滑块点阵-实体协同一体化机构中的点阵部分开展多目标优化设计。以点阵结构的杆径和杆长作为设计变量,以结构总质量和其极限载荷作为目标函数,优化后的结构的轻量化程度和极限载荷均有明显提高,相比初始结构,优化后的结构总质量下降5.86%,极限载荷提升17.44%。(5)针对螺栓拧紧机结构装配体开展结构设计及外观设计,在满足结构工程需要的前提下,提升其艺术美观性。

关键词：晶胞筛选拓扑优化增材制造

丘陵山地履带式底盘HST系统设计及动态特性研究

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丘陵山地履带式底盘HST系统设计及动态特性研究

作者：孙祺友齐鲁工业大学

学位级别：硕士

丘陵山地履带式底盘有机械传动、液力传动和静液压传动等方式。机械传动因其简单的结构和高传动效率而被广泛应用。然而,其工作时需要频繁换挡,且换挡期间会中断功率流,这对于那些需要常变速和方向的设备可能会减少工作效率。液力传动... 详细信息

丘陵山地履带式底盘有机械传动、液力传动和静液压传动等方式。机械传动因其简单的结构和高传动效率而被广泛应用。然而,其工作时需要频繁换挡,且换挡期间会中断功率流,这对于那些需要常变速和方向的设备可能会减少工作效率。液力传动具备良好的自适应能力,但它整体的传动效率偏低,工作效率高的区间也相对较窄。静液压传动系统通过调整变量泵和变量马达的排量,精确控制速度,实现自动变速。这样不仅避免了液力传动中常见的溢流、节流等能量损耗问题,还使系统能根据外部负载自动调整压力,实现更高的能效和更灵活的设计方案。本文以丘陵山地农机装备的履带式底盘为研究对象,研究了履带式底盘HST系统的控制方法。提出了一种新型的HST系统速度调节方法,并在AMESim软件平台上构建了完整的HST系统模型。对履带底盘在启动、爬坡、转场等典型作业场景下的性能进行了仿真分析,并在泵-马达试验台进行动态特性实验,验证了仿真模型的精确度及速度调节策略的有效性。主要内容和结论如下。(1)基于丘陵与山地的独特地形环境,本研究设计了一种适应丘陵山地地形的履带底盘HST系统,系统采用单泵-双马达的静液压传动方案。通过分析履带底盘在正常行进和极端操作条件下的阻力以及所需功率,选定了合适的发动机型号,并对其进行了验证。通过对履带底盘速度和牵引力的需求,确定了系统工作压力、变量泵和变量马达排量,完成了相应的元件选型。与传统履带底盘HST系统相比,所提出的方案展现了更高的工作效率和更广的速度调节范围,能够在低速时提供较大扭矩,以及在高速时保持所需的较小扭矩。(2)基于本文HST系统方案结构形式的静液压系统控制原理,制定了一种适合丘陵山地地形典型工况的调速控制策略。在启动阶段,通过最大化变量马达的排量并提升变量泵的排量,以实现最大的牵引力并确保底盘能迅速加速;在低速运行阶段,变量泵达到最大排量,同时调整两个变量马达的排量以迅速应对负载变化,这一阶段旨在优化爬坡性能和提高作业效率;在空车转场或高速行驶阶段,此时通过断开大排量马达与变速箱输出轴的离合器,仅通过小排量马达来满足牵引需求,从而确保系统在低速时能提供较大扭矩,在高速时则保持较大的工作效率,满足不同工况的需求。(3)基于AMESim软件平台构建HST系统仿真模型,针对丘陵山地履带式底盘HST系统液压原理图搭建仿真模型,对丘陵山地环境下履带底盘的HST系统进行启动、爬坡和高速行驶等典型工况仿真。分析HST系统在典型工况下关键参数的变化趋势。(4)针对丘陵山地履带式底盘HST系统进行动态特性实验。通过在实验台上模拟丘陵山地履带底盘HST系统的典型工作条件,采集了包括系统压力、变量马达转速以及变量泵和马达排量等数据。进一步将HST系统的仿真结果与实验结果进行了比较,发现以此证实了仿真模型和速度调节策略的准确性。

关键词：静液压传动履带式底盘 AMESim仿真动态特性

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基于智能体建模的用能权市场化配置机制研究

基于智能体建模的用能权市场化配置机制研究

作者：李鑫齐鲁工业大学

学位级别：硕士

用能权市场化配置是指在区域用能总量控制的前提下,企业对依法取得的用能总量指标在公共资源交易平台进行交易的行为。作为我国一项重要的制度创新,用能权交易可从供给侧改革的角度缓解日益严峻的能源危机和环境问题,对推进社会绿色低... 详细信息

用能权市场化配置是指在区域用能总量控制的前提下,企业对依法取得的用能总量指标在公共资源交易平台进行交易的行为。作为我国一项重要的制度创新,用能权交易可从供给侧改革的角度缓解日益严峻的能源危机和环境问题,对推进社会绿色低碳转型,实现经济可持续发展有着深远意义。我国虽已在部分省份开展了用能权交易试点,但目前仍存在配额机制不完善、交易机制不健全、交易市场不活跃等问题,极大限制了用能权市场的进一步发展。本文通过实地调研、文献调研等方式,详细梳理了企业、政府、交易平台等利益相关者在用能权交易市场构建中的作用,并采用自下而上的智能体建模方法构建了用能权市场化配置仿真模型,模拟能耗和碳排放双重约束下企业和政府在用能权交易市场的复杂交互机制,包括企业技术创新对市场环境的自适应行为、企业与政府间的配额与交易、企业与企业之间的交易行为等。通过设置不同的初始配额、不同的交易规则等情景,探索用能权初始分配及交易机制,优化用能权交易效率。随后以山东省水泥行业为例,模拟仿真2020-2060年山东省水泥企业参与用能权市场情况,并通过区域能耗总量、区域能耗强度、区域碳排放量、市场交易量等指标的变化情况,探究不同情景下交易机制设计对区域节能减排的促进效应。结果显示:(1)与无交易市场相比,开展用能权交易区域能耗总量可降低8.1%,碳排放量可减少排放9.8%,推行用能权市场有效推动了企业节能减碳。(2)在用能权交易市场中,采取不同的配额发放方式会对企业的节能减排效果产生影响。整体而言,付费发放配额比免费发放配额企业能源利用率提高了4.3%,区域碳排放总量降低了8.8%,交易价格稳定在500-1000元/吨,市场活跃度明显提高。(3)与传统发展情景相比,高质量发展情景能效水平提高了4.4%,碳排放量降低了5%,高质量发展政策措施更有利于企业碳减排,更符合“双碳”背景下企业的发展趋势。最后本文从用能权市场化交易平台建设、配额机制和交易机制、交易监督管理配套制度等方面提出区域用能权交易市场体系建设的政策建议,助力区域经济社会绿色低碳转型和高质量发展。

关键词：用能权市场化配置低碳转型智能体建模政策仿真

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酶交联明胶基生物粘合剂的制备及性能研究

酶交联明胶基生物粘合剂的制备及性能研究

作者：陈志伟齐鲁工业大学

学位级别：硕士

明胶基生物粘合剂在医疗领域展现出巨大的应用潜力,然而明胶基粘合剂具有粘合强度低,机械强度弱和化学交联引起细胞毒性等缺陷,限制了其在医疗领域的实际使用。本研究采用两种制备策略,通过谷氨酰胺转氨酶(mTG)的催化作用,制备出两种明... 详细信息

明胶基生物粘合剂在医疗领域展现出巨大的应用潜力,然而明胶基粘合剂具有粘合强度低,机械强度弱和化学交联引起细胞毒性等缺陷,限制了其在医疗领域的实际使用。本研究采用两种制备策略,通过谷氨酰胺转氨酶(mTG)的催化作用,制备出两种明胶基生物粘合剂,旨在不牺牲生物相容性的情况下提升其粘合强度和机械性能。以明胶为起始原料,mTG为催化剂,将?-聚赖氨酸(PL)接枝到明胶肽链以增加明胶分子中可供反应的游离氨基,然后通过原儿茶醛(DHBA)与游离氨基的希夫碱反应,制备出明胶/聚赖氨酸/原儿茶醛粘合剂(Gel-PL-DHBA)。在线红外(Online-FTIR)、傅立叶红外光谱(FT-IR)和紫外-可见光谱(UV-Vis)分析发现PL和DHBA成功接枝到明胶分子中。SEM图像显示粘合剂表现出水凝胶的典型的三维网络结构。Gel-PL-DHBA(10%)条件下获得了较优的粘附性能:干粘附的粘合强度达到最大值136.12±23.35 KPa,约为Gel-PL(45.01±11.67 KPa)的3倍,湿粘附的粘合强度达到最大值55.14±6.51 KPa,约为Gel-PL(4.98±1.67 KPa)的10倍。体外降解实验表明Gel-PL-DHBA在8天内,胶原酶降解率达到80%以上,表现出良好的生物降解性和一定的结构稳定性。MTT测试结果表明,L929细胞24h和48 h的细胞相对活度在60%左右,这表明Gel-PL-DHBA存在一定的细胞毒性。这主要是因为DHBA与氨基的席夫碱结构的不稳定性,少量DHBA的析出造成的。通过mTG和EDC/NHS交联作用将ZQG和PL-CPTA接枝到明胶链上制备了Gel-Z-C粘合剂。XPS、圆二色光谱、XRD等测试结果表明ZQG和CPTA被成功引入明胶基粘合剂体系中。样品的光学微流变、SEM、热稳定性、溶胀性能等测试表明本实验制备出稳定的Gel-Z-C水凝胶粘合剂,体系中存在共价交联、cation-π和π-π相互作用。粘附性能测试验证了本实验的分子设计策略,表现出极强的粘附性能,其中对于Gel-Z-C(0.5)最大干粘附的粘合强度达到了298.78±36.24 KPa约为Gel-ZQG的6倍;最大湿粘附的粘合强度达到了150.69±9.34 KPa,这主要归功于粘合剂与基材表面的cation-π-anionic和anionic-π-cation相互作用及cation-π和π-π相互作用。压缩应力-应变曲线表明Gel-Z-C具备出色的机械强度,其中Gel-ZC(0.5)样品的应变在85%时抗压强度为100 KPa。Gel-Z-C(0.5)还表现出极好的自愈合性能,激光共聚焦显微镜观察发现,水凝胶在70 min内便可完全愈合,且重新愈合后的水凝胶仍然表现出极好的机械强度。生物相容性和体外降解实验结果表明Gel-Z-C粘合剂无细胞毒性且可生物降解。明亮发光杆菌测试发现,GelZ-C有一定程度的抗菌作用。这些性能使Gel-Z-C具备了医药应用的潜力。

关键词：明胶基粘合剂谷氨酰胺转氨酶(mTG) 粘合强度生物相容性自愈合

木质纤维组分可控构筑水凝胶材料及其在柔性电子设备中的应用研究

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木质纤维组分可控构筑水凝胶材料及其在柔性电子设备中的应用研究

作者：王洋齐鲁工业大学

学位级别：硕士

水凝胶是由天然或合成高分子聚合物经物理或化学交联作用形成的一种具有独特三维网络结构的复合多功能材料,一般具有柔韧性、结构可设计性和功能可调控性,在生物医药、传感以及储能等领域备受关注。用于构筑传统多功能水凝胶的原料主要... 详细信息

水凝胶是由天然或合成高分子聚合物经物理或化学交联作用形成的一种具有独特三维网络结构的复合多功能材料,一般具有柔韧性、结构可设计性和功能可调控性,在生物医药、传感以及储能等领域备受关注。用于构筑传统多功能水凝胶的原料主要是石油基的合成高分子聚合物（如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等）,由于其不可再生、生物相容性差等功能特性使其应用受限。木质纤维生物质组分具有无毒、生物相容性好、绿色且可再生的特点,在全球“碳达峰”和“碳中和”的背景下,以木质纤维生物质为功能组分构筑多功能水凝胶材料符合当前绿色发展的理念,成为制备多功能水凝胶材料的热点课题。本论文以木质纤维生物质（纤维素、木质素和单宁酸等）为功能组分构筑具有多种性能（如高机械强度、持久的粘附性能、良好的环境适应性和抗菌性等）的水凝胶材料,并探究其在柔性电子领域的应用。主要研究内容如下:（1）以纤维素、木质素（LS）和柠檬酸（CA）作为功能组分,高浓度的Zn Cl溶液为溶剂,制备具有优异机械性能、持久粘附性能、环境相容性和良好的导电性等特性的木质纤维基多功能水凝胶材料。其中,Zn Cl可以与纤维素、LS和CA结合,为水凝胶材料提供独特的性能:Zn Cl溶液作为溶剂系统具有较强的氢键供体能力,有助于溶解纤维素的大分子链,形成Zn Cl-纤维素体系,将其作为绿色填料添加到水凝胶材料中,提高了水凝胶的机械性能（压缩强度为4.1 MPa,拉伸强度为795.4 k Pa,断裂伸长率为620%）;Zn Cl-LS自催化体系缩短了水凝胶的凝胶化时间,同时,赋予水凝胶长期的粘附性能;Zn Cl可以与LS和CA形成可逆的离子/静电相互作用,进一步改善了水凝胶的粘附和机械性能;木质纤维组分的存在使水凝胶具有抗紫外线性能、生物相容性和抗菌性。此外,作为抗冻剂、保水剂和导电介质,Zn Cl使水凝胶具有良好的环境适应性和导电性(14.2 m S·cm)。所制备的木质纤维基水凝胶材料可以同时适用于柔性可穿戴应变传感器和生物电极等应用,甚至可以在-65℃下有效工作。（2）以β-环糊精（β-CD）、纤维素、苹果酸（MA）和单宁酸（TA）等作为功能组分,制备具有优异柔韧性、高粘附强度、高抑菌率和环境相容性等特性的木质纤维基多功能水凝胶材料。其中,以MA作为交联剂,通过酯化反应将β-CD接枝到Zn Cl-纤维素体系中,提高水凝胶的机械柔韧性;通过TA与Zn Cl-纤维素系统之间的动态氧化还原反应,极大地提高了水凝胶的粘附强度。此外,该水凝胶还展示出优异的抗冻性能、抗菌性能和抗紫外线性能等。所制备的木质纤维基水凝胶材料具有优异的机械柔韧性（拉伸强度为204 k Pa,断裂伸长率为1024%）,粘附性能（粘附强度为84 k Pa）、抑菌性能（抑菌率为98%）、抗紫外线性能（100%）和抗冻性能（-75℃）。将该水凝胶作为电解质材料,构建的柔性自供电传感器具有高应变灵敏度（GF=1.8）、快速响应性以及优异的电流稳定性,在柔性自供电可穿戴设备领域展示出潜在的应用。（3）通过TA修饰的MXene纳米片（TA@MXene）、Zn Cl-纤维素和MA电解质构建了三元体系,成功制备了一种具有卓越机械强度和环境适应性的木质纤维基多功能水凝胶材料。其中,TA@MXene和Zn Cl-纤维素体系通过在水凝胶内部形成多网络结构促进了水凝胶的交联,使水凝胶具有1.9 MPa的抗拉强度和3.8 MPa的抗压强度;同时,由于水凝胶内部形成了致密的离子传输通道,该水凝胶的电导率高达38.4 m S·cm。此外,MA电解质系统通过形成酸电离体系为水凝胶提供稳定的p H环境;高浓度Zn Cl溶液增强了水凝胶材料的环境适应性。将该水凝胶作为电解质材料,构建的超级电容器具有良好的比容量(173.5m Ah·g),高能量密度(208.2 Wh·kg)和优异的容量保持率（5000次循环后92.1%）;将该水凝胶作为电极材料,构筑的摩擦纳米发电机,其输出电压高达110 V。该项研究提出的基于TA@MXene、Zn Cl-纤维素和苹果酸（MA）电解质三元体系对指导新型导电水凝胶材料,促进水凝胶材料在柔性储能设备的应用具有重要指导意义。

关键词：木质纤维水凝胶传感设备超级电容器摩擦纳米发电机

三维全息随钻方位电磁波电阻率测井仪器的结构设计与响应特性分析

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三维全息随钻方位电磁波电阻率测井仪器的结构设计与响应特性分析

作者：李小秋齐鲁工业大学

学位级别：硕士

随着油气勘探难度的增加,断层、薄层、裂缝、孔洞、低孔、低渗等复杂地质环境和赋存状态对随钻测井仪器提出了更高的要求,在探测到地层界面的同时,还需要具备各向异性识别和地质导向能力。因此,设计一款能实现全方位测量,符合紧凑化、... 详细信息

随着油气勘探难度的增加,断层、薄层、裂缝、孔洞、低孔、低渗等复杂地质环境和赋存状态对随钻测井仪器提出了更高的要求,在探测到地层界面的同时,还需要具备各向异性识别和地质导向能力。因此,设计一款能实现全方位测量,符合紧凑化、集成化、智能化趋势的随钻方位电阻率测井仪器是极其必要的。本文首先分析国内外公司随钻仪器的性能参数和结构特征,深研响应数值模拟方法的现状,基于解析法,进行了更适合本文仪器的响应特征分析,为仪器开发与设计积累了技术材料和理论支撑。其次,针对电阻率仪器天线系统结构,分析了常规随钻仪器的天线线圈系结构,提出了本仪器采用多源距多频率基础天线设计思想,确立仪器天线的工作频率、源距间距和倾斜天线磁矩角,确立了仪器采用“六发六收”天线线圈结构;基于多源距多分量的天线设计理念,研究了仪器基本测量原理,提出三维全息测量理论,得出本仪器在共面、异面情况下,不同天线组合测量可解析出所有分量的结论。然后,基于三维全息测量理论,遵循“六发六收”天线结构,设计了新型随钻方位仪器,采用钻铤外壁嵌入式设计思路,三段式加工工艺,天线线圈对称式布局;并运用Ansys仿真软件对仪器关键部位进行强度校核(钻铤钻压和扭矩仿真、钻铤泥浆流道仿真、天线槽体螺栓防松仿真、电路舱承压仿真),验证了仪器结构的可靠性和合理性。最后,基于仪器的机械结构和三维全息测量理论,定义了仪器探边信号和各向异性信号,联合井下因素进行正演模拟,据此完成仪器探边信号和各向异性信号响应特征分析。构建单界面地层模型,分析幅度比信号和相位差信号的响应数值;建立三层地层模型,改变井斜角,观察井斜角对幅度比相位差的数值影响;设置7种不同厚度的目的层,分析层厚对仪器识别地层界面能力的影响;建立不同电阻率对比度的地层,观察地层电阻率对比度对探边信号的影响;建立三层地层模型,设置不同各向异性系数与天线频率、地层电阻率对比度,计算对仪器各向异性信号的影响;建立十层地层模型,观察各向异性信号的识别能力;设置三层地层模型,观察仪器地质导向能力。经过响应数值分析,验证了仪器具备良好的地层评价与地质导向能力。本文设计仪器过程中形成的理论基础和设计理念,为下一代随钻方位电阻率仪器开发提供理论依据和设计经验。

关键词：方位电阻率仪器机械结构响应特征天线线圈参数强度校核

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清代服饰中三多纹艺术特征分析

服装学报 2024年第3期9卷 243-249页

作者：李俞霏范卓雅王云飞齐鲁工业大学艺术设计学院山东济南250353

三多纹是明清时期盛行的一种祝寿纹样。通过分析实物藏品和文献资料,得出清代服饰中三多纹的题材搭配包括与动植物题材、符号题材和自然气象题材的搭配,布局特征为随衣缘与衣襟而制,具有独立式、均衡式、向心式和共用式的造型规律。研... 详细信息

三多纹是明清时期盛行的一种祝寿纹样。通过分析实物藏品和文献资料,得出清代服饰中三多纹的题材搭配包括与动植物题材、符号题材和自然气象题材的搭配,布局特征为随衣缘与衣襟而制,具有独立式、均衡式、向心式和共用式的造型规律。研究认为,三多纹的造型、色彩和工艺承载了丰富的文化内涵,传达出对子孙后代的期盼,体现了人们对家族传承和血脉延续的重视,以及对幸福、长寿、家庭兴旺的追求。

关键词：清代服饰三多纹艺术特征

基于视觉手势交互的机器人遥操作控制系统设计

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基于视觉手势交互的机器人遥操作控制系统设计

作者：张家乐齐鲁工业大学

学位级别：硕士

遥操作机器人可以代替人类进入复杂危险的作业环境完成各种任务,然而基于遥控手柄、控制箱等设备的传统人机交互方式不自然、不直观,增加了操作者的负担,束缚了操作者的双手,尤其对于搭载多自由度机械臂的移动机器人无法充分发挥机器人... 详细信息

遥操作机器人可以代替人类进入复杂危险的作业环境完成各种任务,然而基于遥控手柄、控制箱等设备的传统人机交互方式不自然、不直观,增加了操作者的负担,束缚了操作者的双手,尤其对于搭载多自由度机械臂的移动机器人无法充分发挥机器人的灵活性。基于视觉手势的遥操作方式不仅可以实现对机器人的远程控制,而且控制方式更加自然、直观,解放了设备对操作者的束缚,给操作者带来沉浸的人机交互体验。本文基于视觉手势检测方法,搭建了基于可穿戴视觉设备的机器人手势遥操作控制系统。具体研究内容如下:首先对机器人的功能需求和技术路线进行了分析,提出遥操作机器人控制系统的总体设计方案,根据系统方案对机器人进行硬件选型和软件平台的选择,然后根据所设计的内容逐步完善手势遥操作机器人的功能。针对手部抖动和传感器噪声对遥操作信号的干扰问题,提出了基于Kalman滤波器的二自由度云台手势遥操作控制系统。通过手势位姿传感器获取左手俯仰角和偏航角,角度测量值经过Kalman滤波器滤波后映射为云台的期望角度,配合不同手势实现左手对云台的遥操作控制。针对传统目标选取方法对设备高度依赖的问题,提出了基于手势的感兴趣区域框选和目标跟踪方法。将右手食指指尖点的空间位置映射到二维图像像素坐标,配合不同手势实现对感兴趣区域的框选,并使用核相关滤波算法对框选区域进行目标跟踪。针对传统机械臂控制方法不自然的问题,将右手位姿映射为机械臂基坐标系下的末端坐标系的期望位姿,实现机械臂的手势牵引控制。针对手势遥操作过程各种干扰影响控制器性能的问题,设计了适用于遥操作的机械臂自抗扰滑模控制器。首先根据机械臂干扰下的动力学模型设计自抗扰滑模控制器,使用提出的三阶状态观测器对关节状态进行估计,然后提出基于Tent映射的遗传算法对自抗扰滑模控制器的参数进行优化,进一步提升控制器性能。本文设计了一种基于可穿戴视觉设备的手势遥操作控制系统,实现了手势对移动机器人搭载的二自由度云台和六自由度机械臂的遥操作控制,解放了传统遥操作方式对操作者的束缚,实现了基于手势的目标框选功能,设计了适用于遥操作场景的机械臂自抗扰滑模控制器,验证了遗传算法对控制器优化的有效性。本文的设计方案拓展了遥操作机器人的使用场景,充分发挥了搭载多自由度机械臂的遥操作机器人的优势。

关键词：遥操作机器人手势识别自抗扰控制目标跟踪

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颅骨微创手术生物陶瓷微铣刀的设计与制备

颅骨微创手术生物陶瓷微铣刀的设计与制备

作者：李学全齐鲁工业大学

学位级别：硕士

颅骨引流手术是治疗脑出血等神经外科疾病最有效的治疗方式,而颅骨铣孔是手术过程中必不可少的步骤。目前医疗行业使用的铣孔刀具尺寸在厘米级至毫米级之间,手术过程中操作不当会造成严重的机械损伤。微型颅骨引流手术不仅可以降低颅压... 详细信息

颅骨引流手术是治疗脑出血等神经外科疾病最有效的治疗方式,而颅骨铣孔是手术过程中必不可少的步骤。目前医疗行业使用的铣孔刀具尺寸在厘米级至毫米级之间,手术过程中操作不当会造成严重的机械损伤。微型颅骨引流手术不仅可以降低颅压,还能够减少创伤以及术后的愈合时间,但是需要较小尺寸的医用铣刀进行手术。本文针对该治疗手段的需求,设计一种医用颅骨微创铣孔刀具,结合聚焦离子束加工技术对微铣刀进行制备。对颅骨的结构和功能进行分析,选用力学性能与生物相容性兼具的氮化硅（SiN）陶瓷作为微铣刀材料,结合微铣刀设计准则设计了三刃型、四刃型两种直刃式、刃倾角选为60°的微铣刀。使用Ansys workbench中显示动力学模块对微铣刀铣削颅骨模型进行了动力学分析。结果表明,三刃型微铣刀对颅骨的损伤略小于四刃型微铣刀,同时三刃型微铣刀铣孔后内孔的表面形貌较为规整。对三刃微铣刀进行应力应变分析和模态分析。结果表明,刀尖处最大应力值为5.27 MPa,远低于SiN材料的断裂强度,满足设计要求。模态分析结果表明所设计刀具的一阶固有频率为19568 Hz,远高于共振频率,铣刀在机床主轴转速范围内不会发生共振。通过SRIM软件计算了FIB加工SiN材料的加工特性,研究了不同入射离子个数、不同离子能量、不同入射角度对溅射产额的影响。结果表明,当入射离子个数超过3000个时,溅射产额值趋于稳定,当离子能量在30 ke V,入射角度为80°时溅射产额值最大,最大为56.5 atoms/ion。同时研究了镓（Ga）离子轰击SiN材料的损伤情况,结果表明,在离子能量为30 ke V时,表层材料的损伤深度为69nm。反冲原子造成的能量损失大于入射离子的能量损失,反冲原子大部分以声子和电离的形式损失。采用HF溶液为腐蚀液,对SiN刀坯材料进行微量去除,研究了温度、时长和浓度对腐蚀效率和腐蚀形貌的影响。结果表明,相比于30%浓度的腐蚀液,15%浓度的腐蚀液对材料表面形貌影响小。当腐蚀液浓度为15%,腐蚀时间在6.5 h时,腐蚀温度为130℃时材料的去除量约为500μm,在此参数下制备了刀具坯材。最后采用了聚焦离子束设备对微铣刀进行制备,选定30 ke V,60 n A的加工参数对刀面进行加工,再采用5 ke V,12 n A的加工参数对刃口进行加工,得到了刃口尺寸为500 nm的微铣刀。选取小鼠成骨细胞（MC3T3-E1）进行了微铣刀材料的生物相容性实验。在细胞生长一周后采用倒置光学显微镜对细胞的生长状况进行观察。结果表明,微铣刀材料的加入并不会排斥成骨细胞的生长。对细胞进行染色来评估微铣刀材料的毒性。结果表明,微铣刀材料不会对成骨细胞产生毒性。说明制备的微铣刀具有良好的生物相容性。搭建了微创小孔铣削实验平台,使用猪颅骨代替人颅骨进行微铣刀的铣孔实验。分析了微铣刀铣孔过程中的轴向切削力,并在超景深三维观察显微系统对微孔的表面形貌进行观察。结果表明,微铣刀可以铣穿3 mm厚的颅骨,铣削后的微孔尺寸为500μm,且轮廓较为规则,可以为之后的软管插入进行脑出血的引流,达到了预期效果。

关键词：聚焦离子束 Si3N4陶瓷微铣刀颅骨铣孔生物相容性