基于体硅工艺的微夹持器设计

为克服静电致动微夹持器夹持力小、运动范围小的弱点,设计并研制了一种基于体硅工艺的微夹持器。建立了S形柔性夹持臂力学模型,借助有限元方法进行结构优化、夹持臂模态分析以及静电驱动器对微操作对象影响的估算。研制成一种大深宽比梳状静电驱动微夹持器,释放了等效长度达5.470mm的柔性夹持臂。该夹持器采用了导电型并接地连接的柔性微夹持臂,可防止静电对操作的影响,柔性结构有效解决了静电力小与硅材料的弹性模量高之间的矛盾,使微夹持器的夹持力输出大大增加。     

微机械构件间和微操作过程中的力及影响因素分析

根据微机械中构件与构件、微操作中操作工具与操作对象在执行功能动作时的相互作用关系特点,以及微观情况下微观力与构件间距及特征尺寸之间的负幂关系特点,将其简化成3种常见的作用关系模型,即平板与平面（半空间）基体、球与平面（半空间）基体和球与球基体,然后基于该模型,分析了微构件间和微操作过程中的微观力,推导了部分力的计算公式.同时,对诸如表面形貌、介质以及材料等力的影响因素进行了研究,结果表明微构件的表面形貌对微观力的影响最为显著.     

有限人参与下的排爆机器人半自主抓取

提出了一种新的排爆机器人半自主爆炸物抓取方法.该方法包括机械臂、爆炸物和障碍环境的建模、C空间地图和路径规划.排爆机器人SUPER-PLUS在有限人参与下,利用手腕装载的激光测距传感器,扫描爆炸物周围的障碍环境,规划出一条无碰轨迹,实现爆炸物自主抓取.实验结果表明,该方法极大地提高了排爆操作的安全性和效率.     

车轮装配机械手装配精度优化设计研究

针对提高车轮装配助力机械手装配精度的共性需求,提出了一种装配精度的优化方法。结合机械手的结构和工作原理,推导出了装配精度和操作力的函数,分析了机械手装配精度、操作力和夹具质量之间的关系,进而提出了装配精度的优化方法:减小夹具质量。利用ANSYS Workbench中的Design Xplorer模块对夹具进行了轻量化设计,以装配精度和操作力的函数为基础定量分析了优化前后的操作力和装配精度,计算结果表明:机械手的操作力有所降低,装配精度有所提高,验证了优化方法的可行性和有效性。     

微装配机器人系统研究与实现

提出了一种基于显微视觉伺服和多机械手协同操作的微装配机器人系统,该系统由微操作机械手、显微视觉和微夹持器3部分构成.介绍了系统总体结构、三机械手协同操作微装配平台、双光路立体显微视觉、2种不同类型的微夹持器装置,以及面向微装配机器人的TSB分级智能控制方法.装配实验表明:该系统能实现对亚毫米零件的精密装配.     

柔性微抓取器的机构分析及设计优化

以实现对微小零件的装配为目标,通过对运用单轴柔性铰链位移放大机构的柔性微抓取器进行理论和有限元分析,指出柔性铰链的缺陷.在改进设计中提出并利用柔性梁替代柔性铰链作为抓取器的运动副.通过理论、有限元对改进后的柔性微抓取器进行分析,并通过实验证明了该抓取器的可行性.     

基于模糊PD控制的微操作机械手真空微夹研究

由于重力和粘附力的变化,宏观工具不再适用于对微粒的操作．采用真空方式对微粒进行操作是一种较为理想的策略．设计了一种用于微粒(直径100～300μm)装配的真空微夹工具．设计了微夹的一种以A-Duc812为底层控制器和以PC机为顶层控制器的两级控制结构．对微粒的粘附力影响和受力情况进行了分析,推导了微夹不同作业阶段的工作压力条件．考虑空气的可压缩性、气动元件的非线性和微夹的压力损失,为提高微夹的拾取和释放微粒的能力,设计了基于模糊PD的压力控制器．Matlab仿真试验结果表明该控制器的有效性．微夹具有性能稳定可靠、结构紧凑的优点,能较好地适用于面向亚毫米级微粒的装配作业．     

硅臂加工误差对微靶装配精度的影响研究

为预测加工误差对微靶装配精度的影响,开展了加工误差对硅臂刚度及应力分布的影响研究. 基于PRO/E逆向工程对实际加工的硅臂样品建模,并搭建实验平台,建立微力与微位移关系的数学模型. 采用仿真与实验相结合的方法,对硅臂存在加工误差与无加工误差的情况下的刚度进行对比,定量预测微靶的装配精度. 研究表明为提高装配精度,必须充分考虑装配力和形位误差形成的非线性误差和非均匀应力场的影响.      

面向托卡马克第一壁检测的超冗余机械臂运动学分析

针对托卡马克第一壁大范围高精度检测的需要,设计了一种超冗余13-DOF宏微式机械臂.为解决超冗余机械臂运动学计算快速性与精确性之间的矛盾,提出了一种考虑机械臂作业环境结构的运动学算法.该算法利用宏机械臂平面多连杆的构型特点和圆弧形的运动轨迹有效降低了逆运动学计算的复杂性.利用摄动法解决了微机械臂处于奇异位置时,运动学逆解无法解析求取的问题,借助能量最优原则唯一确定存在多解或无穷多解时逆解的选取.最后通过仿真验证了该运动学计算方法的有效性.     

基于单目视觉的装配机器人研究及应用

针对传统工业机器人灵活性和环境适应能力差的缺点,对视觉机器人的关键技术进行了研究,提出了一套完整的识别定位抓取算法。首先,对于视觉机器人的目标识别跟踪问题,设计并实现了基于改进型Camshift的动态目标识别跟踪算法;其次,为了使机械臂精确抓取目标工件,采用单目视觉测距和视觉导航的原理对于目标工件的三维位置进行获取;最后,采用改进D-H参数法对机械臂进行运动建模,利用正逆运动学分析确定了机械臂控制方案。测试结果表明,识别算法识别成功率达到100%,定位算法测量坐标与实际坐标之间的相对误差小于5%,整体装配成功率达到96.7%,最终达到了基于单目视觉装配机器人研究的应用目标。     

微纳米球形颗粒之间的毛细力研究

两球形颗粒之间的相互接触问题是研究微机械系统中纳米接触问题的一个重要课题.在微尺度下,毛细液桥现象尤为重要,在观测纳米级物体的相互接触作用力中不可避免地要研究微纳米尺度的液桥问题.本文采用液桥力学平衡、环形近似、体积守恒方法,建立了微纳米球形颗粒之间的液桥模型,通过精确的数学求解,分析球形颗粒的接触角对于毛细作用力和液桥的断裂高度的影响.模拟结果发现,当2个颗粒之间的毛细力作用都很小时,液桥的断裂高度随着接触角的增加而减小,当其中一个颗粒的毛细力作用比较大时,断裂高度随着接触角的增大而增大,接触角的大小对于液桥的断裂高度有直接的决定作用.研究结果为计算预测微观颗粒之间的相互作用力、探索纳米颗粒间的相关特性和机理提供参考.     

动态规划方法在斜拉桥模型索力优化中的应用

本文提出动态规划的方法来进行斜拉桥索力优化。介绍了实际试验模型的调整及模型的制作过程,详细介绍了模型试验方法,通过实验模拟斜拉桥整个施工流程,研究桥梁的工作状态,得到斜拉桥施工过程中节点位移变化,将试验结果与动态规划理论结果进行对比。建立斜拉桥有限元模型,与实验模型进行对比。研究表明：将用动态规划方法计算出来的斜拉桥主梁的竖向位移与各阶段理想竖向位移进行比较,发现二者相差很小,优化后内力分布更均匀,弯矩减小。说明了动态规划方法可以应用于斜拉桥索力优化。     

常规桥梁搭板内力计算方法在SIAB中的适用性

探讨了常规有缝桥梁搭板内力计算方法在半整体式桥台桥梁(SIAB)中的适用性.首先,介绍常规有缝桥梁搭板的内力计算方法,根据SIAB的构造特点,分析搭板近台端受到结构温变变形和收缩徐变引起的水平力、弯矩和剪力的影响;然后,建立SIAB搭板的有限元法(FEM)模型,并分析这些内力对SIAB搭板内力计算的影响程度.分析结果表明:剪力、弯矩的影响很小,可以忽略不计,但水平力的影响很大,搭板在进行内力计算时需加以考虑.最后,提出了简支梁修正法,并与既有有缝桥梁搭板内力计算方法做了对比.结果表明:有缝桥梁搭板内力计算方法不适用于SIAB搭板内力计算的结论.     

Boundary velocity slip of pressure driven liquid flow in a micron pipe

The velocity slip of gas flow in a micron channel has been widely recognized.For pressure driven liquid flow in a macro pipe,theminute velocity slip at the wall boundary is usually neglected.With a decreasing scale in the cross section of the flow passage,the effect of velocity slip on flow and heat transfer behaviors becomes progressively more noticeable.Based on the three Hamaker homogeneous material hypotheses,the method for calculating the acting force between the solid and liquid molecular groups is established.By analyzing the forces exerted on the liquid group near the pipe wall,it is found that the active force arising from the rough solid wall can provide the component force to resist the shearing force and keep the liquid group immobile.Based on this a velocity slip criterion is proposed.Considering the force balance of a slipping liquid group,the frictional force caused by the solid wall can be obtained and then the velocity of the liquid group can be calculated using the derived coefficient of friction.The investigation reveals that,in a micron pipe,a small velocity slip may occur when the flow pressure gradient is relatively large,and will cause errors in the pipe flow estimates.     

混凝土简支斜交箱型梁桥受力特性分析

为了深入分析简支斜交箱型梁桥的力学性质,研究其空间受力特点,以斜交角度为30°的简支斜交箱梁桥为背景,基于梁格法,建立了直桥有限元模型和斜桥有限元模型,对比分析了直桥与斜桥的支座反力、变形和主梁内力。研究结果表明：斜桥锐角处的支反力小于直桥,钝角处的支反力远大于直桥;斜桥出现明显的平面转动现象,表现为桥面整体在支承边处钝角方向往锐角方向转动;斜桥边梁的最大扭矩是直桥的2.06倍,增加斜桥箱梁腹板厚度和加密受扭箍筋对其抗扭能力有较大的提升作用。本文研究成果可为简支斜交箱型梁桥的受力性能研究和同类工程设计提供参考。     

Magnetic exchange force microscopy with atomic resolution

The ordering of neighbouring atomic magnetic moments (spins) leads to important collective phenomena such as ferromagnetism and antiferromagnetism. A full understanding of magnetism on the nanometre scale therefore calls for information on the arrangement of spins in real space and with atomic resolution. Spin-polarized scanning tunnelling microscopy accomplishes this but can probe only conducting materials. Force microscopy can be used on any sample independent of its conductivity. In particular, magnetic force microscopy is well suited to exploring ferromagnetic domain structures. However, atomic resolution cannot be achieved because data acquisition involves the sensing of long-range magnetostatic forces between tip and sample. Magnetic exchange force microscopy has been proposed for overcoming this limitation: by using an atomic force microscope with a magnetic tip, it should be possible to detect the short-range magnetic exchange force between tip and sample spins. Here we show for a prototypical antiferromagnetic insulator, the (001) surface of nickel oxide, that magnetic exchange force microscopy can indeed reveal the arrangement of both surface atoms and their spins simultaneously. In contrast with previous attempts to implement this method, we use an external magnetic field to align the magnetic polarization at the tip apex so as to optimize the interaction between tip and sample spins. This allows us to observe the direct magnetic exchange coupling between the spins of the tip atom and sample atom that are closest to each other, and thereby demonstrate the potential of magnetic exchange force microscopy for investigations of inter-spin interactions at the atomic level.     

客货共线大跨度简支钢桁梁桥梁轨相互作用

以黄韩侯铁路上某156m大跨度简支钢桁梁桥为背景,采用理想弹塑性道床阻力模型,建立了轨-梁-墩一体化空间有限元模型,对钢桁梁桥上钢轨伸缩力、挠曲力、制动力以及断轨力分布规律进行了分析,探讨了相邻简支梁支座布置、桥墩顶纵向刚度、小阻力扣件布置等设计参数对钢轨纵向力的影响.研究表明:钢轨伸缩力为主要控制性荷载;相邻简支梁宜采用与钢桁梁相同方向的支座布置方式;随墩顶刚度的增加,钢桁梁桥上钢轨伸缩力和挠曲力增大,制动力减小;在钢桁梁桥上采用小阻力扣件即可以减小约36%的钢轨伸缩力.     

基于微波干涉雷达的斜拉桥索力测量方法

为提高大跨径斜拉桥索力测量的工作效率,提出了一种基于微波干涉雷达的斜拉桥索力测量方法,并将其测量结果与 DaspBCF手持式索力测量仪和JMM-268接触式索力动测仪的索力测量结果进行了对比检验。该方法采用IBIS-S微波干涉雷达系统提取桥梁斜拉索动态位移信息,通过快速傅里叶变换对斜拉索位移信号进行频谱分析,获取斜拉索振动基频后基于振动频率法计算斜拉索索力。实桥试验结果表明:微波干涉雷达测量索力可同时测量多根索的动态信息,测量效率高;自下而上发射雷达波束的方法可有效规避噪声影响;该方法得到的索力与传统加速度计测得的索力相对误差在2.2%以内,测量结果可靠,并具有高效率、易操作的特点,具有很好的应用价值。     

利用铜探针在Ag(111)表面进行单原子横向操纵的可靠性研究

采用分子力学方法结合原子嵌入势,模拟利用铜探针对吸附在Ag(111)表面的单个Ag原子进行横向操纵,主要研究探针高度对横向操纵可靠性的影响。使用单原子探针可以在平整的Ag(111)表面实现成功的横向操纵,探针的高度范围是1.0到4.9埃()。总体上,操纵可靠性随探针高度的增加而降低。与使用银探针进行的横向操纵相比[Appl.Surf.Sci.256(2009)1502],操纵可靠性在较宽的探针高度范围内有明显提高。     

基于修正湍流冻结假设桥梁断面旋涡脱落分析

结构所受气动力的规律性变化在流场中表现为规律的旋涡脱落现象,而结构尾流中的规律性脱落的旋涡无论是否可以直接被观察到,都可以采用快照正交特征分解方法加以识别.结合了快照正交特征分解方法和小涡分解方法,并通过引入冻结湍流假设的部分假定,可以根据单个时刻的速度场数据获得结构旋涡规律性脱落的频率,并可根据相邻旋涡的距离获得结构的斯脱罗哈数.方柱绕流和某分离双箱桥梁断面尾迹流场的数值模拟验证结果表明,通过此方法计算得到斯脱罗哈数与采样升力系数幅值谱得到的斯脱罗哈数误差较小,因而此方法有较强的实用性.