基于电磁驱动的蠕动型微机器人运动机理

根据仿生学原理开发了一种电磁驱动的蠕动型微机器人,利用计算机和机电控制系统对微机器人运动进 行控制．介绍了微机器人的结构,对其运动机理进行了分析和探讨,介绍了运动控制电路原理,并进行运动性能的 实验分析．实验表明,它能在直径小于10mm的管道内自行移动,携带内窥镜、CCD器件、照明系统,进行管内目视 检查作业．该研究成果对发展微机器人技术有积极的参考价值．     

基于电磁驱动的蠕动型微机器人运动机理

根据仿生学原理开发了一种电磁驱动的蠕动型微机器人,利用计算机和机电控制系统对微机器人运动进行控制.叙述了微机器人的结构,对其运动机理进行了分析和探讨,介绍了运动控制电路原理,并进行运动性能的实验分析.实验表明,它能在直径小于10 mm的管道内自行移动,携带内窥镜、CCD器件、照明系统进行管内目视检查作业.该研究成果对发展微机器人技术有积极的参考价值.     

基于电磁驱动的蠕动型微机器人的运动机理

根据仿真学原理开发了一种电磁驱动的蠕动型微机器人,利用计算机和机电控制系统对微机器人运动进行控制,叙述了微机器人的结构,对其运动机理进行了分析和探讨,介绍了运动控制电路,并进行运动性能的实验分析,实验表明,它能在直径小于１０ｍｍ的管道内自行移动,携带内窥镜、ＣＣＤ器件、照明系统进行管内目视检查作业,该研究成果对发展微机器人技术有积极的参考价值。     

多功能两栖生物型子母机器人系统研究

 对于水陆两栖及其过渡环境中狭小空间内的勘测,微小型水陆两栖机器人能够完成许多单一推进方式的机器人所无法完成的两栖任务,如水下管道的检测、珊瑚礁内鱼类的监测、水下岩缝中矿物采样等,因此需要一种能够具有微型结构、多功能运动模式、高位置精度、长续航时间等特点的机器人,以适应复杂两栖环境。提出一种两栖子母机器人设计方案。其中,两栖母机器人采用腿-矢量化喷水两栖推进,利用一套驱动系统实现两栖运动,以降低机构和控制的复杂度,增大其负载能力。两栖推进机构和机器人外形可以根据介质环境以及任务特点的改变,进行主动的形态与结构变化。微型子机器人由人工智能驱动器驱动,可以实现游行、爬行、转动、上浮/下潜、抓取等动作。母机器人和子机器人之间通过智能软缆线连接,实现子母机器人之间的通信及子机器人的回收。     

混合驱动连续型机器人设计

连续型机器人具有本质柔顺的本体结构,由此带来的环境适应性和安全性得到了人们的广泛关注.然而柔软的结构也可能导致机器人负载能力和定位精度的不足.针对这种情况提出了一种全新的混合驱动连续型机器人,能够平衡结构柔顺性、定位精度、刚度等性能.该机器人的驱动器在传统气动肌肉的基础上内置弹性杆,保持了系统的紧凑性.通过模式切换机构使驱动器能够在气压驱动与弹性杆驱动两种模式间切换以实现大范围运动和小范围精确定位,并在这个过程中拥有不同的刚度.当机器人进行大范围运动时,由气动肌肉提供主要的行程和输出力;当机器人到达指定工作位置附近时,由直线电机牵引弹性杆驱动机器人末端实现精确定位并提高机器人的刚度.基于力平衡的原理建立了混合驱动器的气压-长度模型,通过模型仿真与实验结果的对比,发现驱动器死区的存在并修正了该模型,验证了机器人驱动器抗迟滞的特性.通过不同姿态与驱动方式下对机器人施加外力的实验证明了机器人的变刚度特性.通过对机器人末端的定位实验验证了混合驱动连续型机器人的重复定位能力相较于单纯气压驱动方式有显著增加.结果表明,通过混合驱动的方式提供了一种具有变刚度效果并能有效增强柔性连续型机器人定位精度的方法.     

基于Raspberry Pi的轮式移动机器人设计及运动控制

基于卡片电脑Raspberry Pi完成了移动机器人从硬件搭建到运动控制的工作.通过Raspberry Pi与传感器的配合对机器人运动环境进行检测.采用模糊控制算法,根据不同环境设计了不同的运动机制,保障移动机器人运动的安全性.利用实验检验并完善了机器人的避障性能,实现了机器人在复杂环境中的运动控制,包括机器人的遥控以及自主漫游运动.     

间隙式单吸盘爬壁机器人动力特性分析

研究了带有新型吸盘结构的具有间隙式负压吸附方式特点的爬壁机器人的动力学问题。采用间隙吸附方式的爬壁机器人,其运动性能(可操作性、驱动性能等)主要由轮式移动结构决定,因此对爬壁机器人运动结构进行动力学分析是合理和必要的。基于拉格朗日乘子方程建立了机器人的动力学模型。利用Matlab/Simulink的动力学仿真,分析了吸盘吸附力和机器人方位角变化对爬壁机器人运动特性的影响,为改善和提高机器人的运动性能并为其结构优化设计与运动控制提供了理论研究基础。     

磁致塑性的位错机理

采用佩尔斯-纳巴罗的部分离散位错模型,计算了磁场中直刃型位错的错排能,推导出在静磁场中位错滑移所需克服晶体点阵阻力的最大值--佩-纳力,给出了佩-纳力与磁场强度、材料性质间的关系.结果表明:若材料中的位错具有顺磁性,佩-纳力的值比无磁场时的值减少,位错更容易运动,材料塑性增强.该结论与已有的磁塑效应实验中观察到的现象一致.当磁场为0时,所得佩-纳力的值可退化为已知的原佩-纳力.     

水黾仿生特性与工程应用研究进展

水黾是一种在湖泊、池塘、湿地中常见的小型昆虫,凭借其腿部具有微纳复合结构而呈现的超疏水特性可稳定站立在水面,受到普遍关注并逐步成为研究热点。已有学者对水黾运动特性开展研究,以期获取设计灵感用以研制功能优异的超疏水表面与功能完善的仿生水黾机器人。从水黾运动特性入手,综述了运动支撑力的测试方法,重点关注以水黾为仿生原型在工程仿生领域中超疏水表面制备、水上行走机器人和跳跃机器人研制的发展现状。超疏水表面的制备应从微形貌特征、制备工艺和生产成本等方面深入研究,仿生水黾机器人的研制需进一步考虑运动、驱动方式和支撑特性。基于水黾腿部微形貌结构特征研制超疏水功效显著且持久的超疏水表面,以及性能优异、功能完备、运动特性高度相似的仿生水黾机器人将是未来发展的主要趋势。     

基于Webots的蛇形机器人蜿蜒步态规划及偏移补偿

仿生蛇形机器人对复杂环境具有良好的适应性,应用前景广泛.针对蜿蜒运动初始时刻的突变问题和运动过程中存在的偏移问题,提出优化方程,并对蜿蜒运动步态进行规划,研究了模型参数对机器人运动速度、偏移的影响,分析运动控制参数,并对运动步态偏移进行补偿.通过Webots仿真实验表明:运动控制参数决定了蛇形机器人的运动形状、偏移量及转弯特性,可以有效避免侧向偏移,对蛇形机器人高效的运动控制具有较为重要的借鉴意义.     

Microscopic artificial swimmers

Microorganisms such as bacteria and many eukaryotic cells propel themselves with hair-like structures known as flagella, which can exhibit a variety of structures and movement patterns. For example, bacterial flagella are helically shaped and driven at their bases by a reversible rotary engine, which rotates the attached flagellum to give a motion similar to that of a corkscrew. In contrast, eukaryotic cells use flagella that resemble elastic rods and exhibit a beating motion: internally generated stresses give rise to a series of bends that propagate towards the tip. In contrast to this variety of swimming strategies encountered in nature, a controlled swimming motion of artificial micrometre-sized structures has not yet been realized. Here we show that a linear chain of colloidal magnetic particles linked by DNA and attached to a red blood cell can act as a flexible artificial flagellum. The filament aligns with an external uniform magnetic field and is readily actuated by oscillating a transverse field. We find that the actuation induces a beating pattern that propels the structure, and that the external fields can be adjusted to control the velocity and the direction of motion.     

Dynamic characteristics of an intestine capsule robot with variable diameter

This paper proposes an intestine capsule robot with variable diameter. It is driven by external rotating magnetic field and has the function of automatic radial clearance compensation. An external magnetic field generating device and a capsule robot with variable diameter are developed. Radial dynamic balance equation and kinematics equation of the capsule robot traveling inside flexible elasto-wall environment are established, and dynamic characteristics of the capsule robot inside flexible elasto-wall pipe and rigid wall pipe environments are analyzed and compared. Simulations and experiment results show that its dynamic characteristics in both pipes are almost the same. Under the action of radial clearance compensation, fluid dynamic pressure around outer surface of the capsule robot and its propulsion, as well as its adaptability to diameter change range, are significantly improved. Its propulsion and moving speed are controlled by adjusting rotating angular speed of the rotating magnetic field. This innovative capsule robot with radial clearance compensation has a promising prospect for inside intricate gastrointestinal (GI) tract in non-invasive therapy applications.     

超磁机器鱼游动数值模拟及其控制

针对管道中微小型机器人的研究和开发,提出一种利用外磁场驱动起小型机器鱼的研究方法.采用合金薄板模拟鱼尾骨架,贴在该薄板的超磁致伸缩材料模拟鱼体肌肉,建立了该问题的力学模型.通过研究机器鱼的游动机理,设计了一种机器鱼的超磁动力驱动器(GMMA).利用调整外界磁场频率,实现神经模拟以控制鱼尾摆动,即机器鱼的游动.结果表明,鱼尾摆动平均驱动力的大小取决于鱼尾的材料参数、几何参数和外磁场频率.特别是当外磁场频率接近系统固有频率时,该驱动力相对较大,该结论可作为鱼尾设计和控制的主要思路和依据.     

渔政船三机三桨推进装置设计研究

通过“中国渔政１１４”三桨船推进装置的研究,讨论了中桨、边桨主机功 率如何分配,部分螺旋桨处于自由转动时附加阻力如何确定,三桨推进时设 计工况如何选取,并给出了分别以中桨单独工作、边桨同时工作、三桨同时工 作为设计工况时的螺旋桨要素．     

微波等离子体电子回旋共振放电粒子模拟分析

电子回旋共振放电产生的等离子体在微电子工业中材料加工、空间电推进方面有着广泛的应用。为了研究微波等离子体电子回旋共振的放电特性,使电子回旋共振放电产生的等离子体密度和能量转换效率更高,建立了微波等离子体电子回旋共振放电的1D3V模型,描述了带电粒子在外加静磁场、微波场共同作用下的微观运动。结果表明:微波频率为2.45 GHz时,随着静磁场磁感应强度的增加,平均电子能量先持续增大达到峰值,随后又不断地减小,且在0.087 5 T时电子加速效果最明显,结果符合电子的回旋频率公式,验证了该模型的正确性;共振区域内,发现在0.087 5 T磁感应强度下,微波频率为2.45 GHz下拟合的电子速度分布才与微波电场分布趋势相似,说明微波电场推动了电子运动。这为进一步研究微波等离子体放电的粒子模拟-蒙特卡罗碰撞模拟奠定了基础,也为进一步研究微波等离子体源中粒子产生效率及微波等离子体源的物理性质提供了重要参考。     

Structure of the C-terminal domain of FliG, a component of the rotor in the bacterial flagellar motor.

Many motile species of bacteria are propelled by flagella, which are rigid helical filaments turned by rotary motors in the cell membrane. The motors are powered by the transmembrane gradient of protons or sodium ions. Although bacterial flagella contain many proteins, only three-MotA, MotB and FliG-participate closely in torque generation. MotA and MotB are ion-conducting membrane proteins that form the stator of the motor. FliG is a component of the rotor, present in about 25 copies per flagellum. It is composed of an amino-terminal domain that functions in flagellar assembly and a carboxy-terminal domain (FliG-C) that functions specifically in motor rotation. Here we report the crystal structure of FliG-C from the hyperthermophilic eubacterium Thermotoga maritima. Charged residues that are important for function, and which interact with the stator protein MotA, cluster along a prominent ridge on FliG-C. On the basis of the disposition of these residues, we present a hypothesis for the orientation of FliG-C domains in the flagellar motor, and propose a structural model for the part of the rotor that interacts with the stator.     

组合合页式扑翼在悬停状态下的三维仿真分析

通过观察鸟类扑翼飞行的运动特征,研究了一种新型组合合页式扑翼推进技术.介绍了组合合页式扑翼推进技术的基本原理,建立了其运动学和动力学模型;在此基础上,通过联合求解动力学方程和三维纳维斯托克斯方程,对组合合页式扑翼在恒定速度下的低频大行程往复运动进行仿真,以分析组合合页式扑翼在2自由度运动时的运动特征和空气动力学特性.结果表明:所提出的扑翼推进方式在悬停状态下能够产生持续的正升力;在相同的往复速度下,增大运动行程可以降低1个周期内过渡状态所占的比例,但平均升力系数随之减小;当运动频率约为2Hz时,其平均升力系数可以达到3.0以上.     

低磁雷诺数不可压缩磁流体湍流的非线性涡黏性k-ω封闭模型

在低磁雷诺数近似下,通过逐项模化湍动能输运方程的磁流体源项,提出一个适于任意的磁场布置形式的非线性涡黏性的磁流体湍流k-ω模型.在该模型中,使用Kenjeres-Hanjalic模型和Song的非线性涡黏性模型分别模化脉动电场-速度相关量及各向异性的雷诺正应力,并采用Wilcox低雷诺数k-ω模型对层流化进行估计.通过与直接数值模拟结果和实验结果比较,表明本文模型给出的速度型误差小于5%,摩擦阻力系数误差小于10%,能够满足工程需要.     

具有抽吸/喷注的多孔壁圆柱管道内磁流体的流动

研究了水平方向存在磁场的可渗透圆柱形管道内稳态不可压缩流体的层流流动,通过引入流函数,将控制方程化为非线性常微分方程.假设抽吸/喷注雷诺数和磁场雷诺数均很小,将小雷诺数作为小参数,应用摄动法求解了问题的近似解,进一步研究了流体速度、压降及管壁表面的摩擦阻力系数.在磁场的影响下,主流方向的压降随着抽吸雷诺数的增加而降低,随着喷注雷诺数的增加而增加.壁面的摩擦阻力系数随着抽吸雷诺数或磁场强度的增加而降低.     

关于磨料磁流体射流可行性的分析

通过对前混合磨料射流和后混合磨料射流进行对比分析,发现了两种磨料射流技术均存在一些技术缺陷。为了解决这些问题,对磁流体推进技术展开研究。通过Fluent软件对磁流体中磨料运动进行分析;并且通过试验装置验证了直流式磁流体推进装置能够对磁流体产生增压效应,形成了直流式磨料磁流体射流。在直流式的基础上,分析了交流式磨料磁流体射流的优点,展望了交流式磁流体推进技术在磨料磁流体射流上的应用前景。通过电磁场方程以及流场方程建立数学模型,分析了其在磨料射流上应用的可能性。