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第51卷,第6期
刊出日期:2023年06月
  • 机器人专栏
  • 王书亭, 付清晨, 蒋立泉, 谢远龙 doi: 10.13245/j.hust.230601 P1-9 在线阅读 下载(1.7 MB)
    为保证移动机器人动态环境下的运行安全性,须结合轨迹重规划实现实时绕障;针对路径重规划会带来额外的计算负担、难以保证控制系统实时性的问题,为实现高效高精移动机器人运动控制,提出考虑绕障时耗的四轮全向移动机器人轨迹跟踪控制器.首先,将参考曲率引入四轮全向移动机器人的跟随误差模型,对控制时域和预测时域进行动态优化,提高弯曲复杂路径的跟踪精度;在此基础上,分析控制时域与重规划时耗的映射关联,设计自适应步长的调节策略,提升绕障模式下的控制实时性.测试结果表明:与比例-微分(PD)控制和传统滚动时域控制相比,所提出算法考虑绕障过程的跟踪控制性能更好,实时性更优.
  • 赵杰亮, 邢晋, 牛群 doi: 10.13245/j.hust.230602 P10-15 在线阅读 下载(2.84 MB)
    为解决四足机器人在爬坡过渡位置足端打滑和运动连续性差的问题,提出了一种基于俯仰位姿调整的四足机器人静步态爬坡运动策略.首先建立了四足机器人在坡底、坡面和坡顶三个运动阶段的准静态平衡模型;接着定义了打滑率和倾覆率两个无量纲量作为机器人的爬坡性能评价参数;然后通过求解准静态平衡模型得到机身位姿参数与爬坡性能评价参数的映射关系,并根据此映射关系为四足机器人制定了高效的爬坡位姿调整策略.仿真实验结果表明:提出的爬坡运动策略通过调整四足机器人的机身俯仰位姿,改善了机器人在过渡位置打滑和运动连续性差等方面的运动性能,提高了机器人的爬坡稳定性和运动效率.
  • 张铁, 曹亚超, 邹焱飚, 马广才, 梅雪川 doi: 10.13245/j.hust.230625 P16-22 在线阅读 下载(2.55 MB)
    针对现有单一的线性伺服控制时机器人运动平台的跟踪轨迹精度较差的问题,基于前馈力矩补偿和滑模变结构控制相结合的控制策略,对具有线性位置解的3-CRU并联机器人的轨迹跟踪进行了相关研究.采用拉格朗日方程建立了该机器人的包含建模误差和外部干扰的动力学模型并辨识了机器人的动力学参数,设计了在线性伺服控制基础上前馈力矩补偿与滑模变结构控制相结合的控制策略.通过实验对比,证明采用上述控制策略不仅提高了机器人动平台的轨迹跟踪精度,而且增强了机器人系统的鲁棒性.同时,线性的位置正解方程这一特性使得机器人驱动滑块的位置误差传递到运动平台上不会呈指数型累积增长,从结构上保证了机器人运动平台的轨迹精度.
  • 朱大虎, 王宇迪, 钱琛, 付佳豪 doi: 10.13245/j.hust.238599 P23-28 在线阅读 下载(2.16 MB)
    针对工业机器人刚度辨识成本高、辨识精度提升难的问题,提出一种基于千分表并且考虑传动间隙影响的关节刚度辨识方法.首先,建立机器人运动学模型和刚度模型,对传统刚度模型进行了改进,考虑了辨识过程中传动间隙对辨识精度的影响;其次,推导了仪器精度、测量量级、辨识精度之间的关系,在此关系式的基础上确定了以千分表为测量设备的接触式测量方案;最后,根据新方法开展了IRB6700-200/2.60型工业机器人关节刚度辨识实验.实验结果表明:使用千分表进行实验且不考虑传动间隙影响的预测相对误差为17.77%,与使用激光跟踪仪的预测相对误差16.80%相当,而考虑传动间隙影响的预测相对误差为11.00%,相比两者有明显提升.
  • 丛明, 吴敏杰, 杜宇, 李泳耀 doi: 10.13245/j.hust.238613 P29-35 在线阅读 下载(3.56 MB)
    针对桌面上单个物体场景的抓取任务,提出一种基于抓取模式识别的欠驱动灵巧手自主抓取方法.受人类抓取策略启发,基于四种典型抓取模式建立物体的抓取模式数据集,并通过深度学习预测物体的抓取模式和抓取区域,利用图像处理获得抓取角度,从而简化欠驱动灵巧手的抓取规划.深度学习算法在测试集中的识别准确率达98.70%,对未知物体的识别准确率达82.70%,具有较好的泛化能力.当执行自主抓取时,深度学习方法的不准确性通过欠驱动手的自适应性得到了一定的补偿.通过UR3e机械臂搭载欠驱动灵巧手对24个物体进行抓取实验,在120次抓取中平均成功率为90.80%.实验结果表明所提方法能适应不同形状大小的物体,具备抓取实用性.
  • 张延恒, 宋子辉, 褚明 doi: 10.13245/j.hust.230606 P36-40 在线阅读 下载(2.01 MB)
    基于柔性螺旋驱动机构,设计了一种应用于手开闭困难患者康复训练的柔性手部外骨骼机械手.该机械手通过柔性螺旋驱动机构带动柔性手指,产生大变形从而实现双向弯曲运动.通过对手指模型的简化,利用悬臂梁模型建立了柔性手指弯曲力学模型,进而得到了手指末端弯曲角度和弹簧旋转圈数之间的运动学关系.针对模型误差问题,建立了误差补偿函数对所建立的手指弯曲运动学模型进行修正,并实验验证了修正模型的有效性.最后,研制了柔性机械手,并对机械手的弯曲及负载能力进行了实验验证.
  • 机械与材料工程
  • 刘晓军, 周广, 卢文龙, 郭佳辉 doi: 10.13245/j.hust.230607 P41-47 在线阅读 下载(3.09 MB)
    针对现有的波长扫描干涉仪在采样范围内信号周期数较少时含有比较严重的信号频谱泄漏,导致较大的恢复误差的问题,提出一种基于加窗加权插值离散傅里叶变换(DFT)的频率估计的光程差恢复算法,该算法在信号采样长度为2~3个周期时仍能很好地抑制频谱泄漏.仿真结果显示:当周期数较少时,该算法恢复精度相比于现有的傅里叶变换相位斜率法有很大提高.对平面镜及单刻线标准样板的测量实验显示:加窗加权插值离散傅里叶变换算法达到约10 nm的恢复精度,进一步验证了该算法在波长扫描干涉仪的光程差恢复中有很好的应用价值.
  • 杨少军, 张成磊, 高嵩, 杨建中 doi: 10.13245/j.hust.230608 P48-55 在线阅读 下载(2.53 MB)
    针对在高速加工中微小线段轨迹会导致数控系统前瞻距离短,须要利用样条曲线对微小线段轨迹进行压缩的问题,采用三次B样条压缩微小线段轨迹,采用五次贝塞尔(Bezier)桥接曲线改善三次B样条之间的连续性.基于离散曲率积分,选取合适的初始压缩节点,减少拟合迭代次数,提升轨迹压缩效率.通过在相邻B样条间插入Bezier曲线的方法,用带有微分因子(differential factor,DF)μ的边界约束条件,保证桥接曲线与相邻B样条在衔接处G2连续,满足误差和保型约束.通过模拟插补实验,分别对比桥接算法实施前后轨迹曲率与单轴加速度,结果表明所提出的轨迹压缩算法减小了单轴加速度波动.
  • 宋韵, 武新军, 刘有为, 万强 doi: 10.13245/j.hust.230609 P56-61 在线阅读 下载(2.65 MB)
    针对缆索磁性检测中大直径缆索深层次钢丝磁化的难题,建立了缆索闭合磁化解析模型,研究缆索磁化规律.提出一种穿过闭合式磁化器的轴对称模型,采用等效面磁荷法对永磁体进行等效,并应用截断区域特征函数展开法和传递矩阵求解磁标位方程,得到磁场的空间解析表达式,该模型可用于求解缆索内部磁场分布.与有限元仿真结果的对比显示:当使用解析模型计算磁化器两磁极中间区域磁场时,轴向磁感应强度的相对计算误差不大于3%,径向磁感应强度不大于12%,表明使用该模型计算缆索内部磁场是可行的.
  • 王振耀, 刘银水, 王伟, 卢海承 doi: 10.13245/j.hust.230610 P62-67 在线阅读 下载(1.48 MB)
    针对开关式电磁卸荷阀工作中压力冲击严重的问题,提出采用比例控制方式对泵站压力升降过程进行调节的方法,并设计了一种1 200 L/min,50 MPa的比例卸荷阀.针对功率级主阀大尺寸、大容腔等特点,采用功率键合图建立了数学模型,研究了主阀弹簧腔直径、阻尼孔直径、先导阀开度、主阀弹簧刚度和预紧力对主阀升压响应时间、卸荷响应时间和卸荷残余压力的影响规律.结果表明:卸荷响应时间与卸荷残余压力具有变化的一致性,而与升压响应时间呈反比例关系;在满足卸荷残余压力不大于1.2 MPa的基础上,可以确定各关键参数的优选值;最终升压响应时间为160 ms,卸荷响应时间为60 ms;在25%输出幅值状况下幅频宽为9 Hz,在100%输出幅值状况下幅频宽为3 Hz.
  • 王家序, 周伟, 王成, 向果 doi: 10.13245/j.hust.238572 P68-74 在线阅读 下载(3.49 MB)
    基于改进运动学法,提出结构参数驱动的谐波传动齿廓设计方法.该方法由结构参数决定柔轮凸齿廓,然后用柔轮凸齿廓来共轭求刚轮齿廓,最后用刚轮凸齿廓共轭求柔轮凹齿廓.该方法减少了输入参数,消除了刚轮凸齿廓的差异问题,增加了双共轭区域.为进一步提高谐波传动的传动性能,以增加共轭区域Ⅰ和减少空白区域为目标,进行了单变量和多变量分析.结果表明:共轭区域Ⅰ的最大值和空白区域的最小值都存在于存在共轭齿廓与不存在共轭齿廓的交界面上;采取合理的柔轮分度圆到中性层的距离、径向变形量系数及柔轮弧倾角,可以增加双共轭区域,提高谐波传动的传动性能.
  • 蒋进科, 刘钊, 刘红梅 doi: 10.13245/j.hust.230612 P75-82 在线阅读 下载(5.27 MB)
    为了改善斜齿行星齿轮系统的均载性能,结合行星齿轮功率分流传动、汇流传动及构件浮动的特点,建立系统多个齿轮齿面加载接触分析模型,进行静力学均载特性分析.该模型以安装误差和构件浮动对各齿轮副接触间隙的影响为切入点,将几何分析与力学分析紧密融合,通过数学规划与优化的方法快速得到加载后各齿轮副齿面载荷分布与构件径向浮动量.相比于目前最常用的行星轮系静力学、动力学集中质量建模方法(集中力系模型),该方法是一种分布力系模型,具有一定先进性.结果表明:构件浮动是各内(外)齿轮副相对齿面初始齿间间隙逐渐协调并趋近相等的过程,当仅考虑太阳轮、齿圈中心距安装误差影响时,其径向浮动可实现完全均载;由于轴交角安装误差导致内(外)齿轮副几何传动误差及齿面接触位置不同,因此构件浮动能改善但不能实现理想均载;该方法可为高精度斜齿轮行星传动的均载设计与分析提供理论参考.
  • 彭先龙, 周健, 方宗德 doi: 10.13245/j.hust.238671 P83-90 在线阅读 下载(3.07 MB)
    为了降低面齿轮传动系统的振动与噪音,预设二阶与四阶传动误差、接触路径倾角及接触椭圆长轴,对面齿轮副进行主动修形,建立面齿轮传动系统动力学模型;以啮合线振动加速度均方根为优化目标,运用遗传算法获得最优主动修形参数,分析了系统的分岔特性及啮合刚度对系统响应的影响.结果表明:二阶与四阶传动误差优化后的啮合线振动加速度均方根较理论值分别降低了85.7%和88.1%,四阶传动误差在减振方面效果更佳;系统的振动不仅与啮合刚度均值有关,啮合刚度高阶谐波幅值对振动有较大影响;传动误差与接触路径倾角在合理取值范围内,增大接触椭圆长轴长度对降低振动有利,推荐的接触路径倾角在10.5°和13.5°邻域内;主动修形可缩小混沌运动窗口,有利于提高系统的稳定性;研究结果可为面齿轮副的减振设计提供理论依据.
  • 刘后广, 刘兆海, 王杰, 杨建华 doi: 10.13245/j.hust.238749 P91-97 在线阅读 下载(2.19 MB)
    为了总结圆窗激振式人工中耳压电作动器设计的优化准则,分析了压电作动器关键设计参数对圆窗激振听力补偿性能的影响.首先,采用集总参数法构建了考虑作动器内部结构的压电作动器-人耳耦合力学模型;然后,通过与实验测量的正向、逆向传声下的镫骨速度进行对比,验证了所建模型的可靠性;最后,基于该耦合力学模型,系统分析了压电作动器的质量、耦合层刚度、支撑刚度及初始压力对圆窗激振等效声压级的影响.结果表明:压电叠堆质量及作动器外壳质量的增加都会恶化作动器高频补偿性能,耦合层刚度的增加会提升中高频段的补偿性能,支撑刚度的增加则会提升作动器低、中频段的等效声压,初始压力对圆窗激振性能影响相对较小.
  • 马琳, 罗冠炜 doi: 10.13245/j.hust.239089 P98-106 在线阅读 下载(4.22 MB)
    分别建立了含刚性、弹性、非线性赫兹三种约束的两自由度受迫振动系统的力学模型,通过多目标、多参数协同仿真在(ω,δ)-双参数平面获得了含不同约束模型的周期运动的种类、存在区域及分岔特性,比较了不同约束下系统动力学特性的异同,发现其在低频率、小间隙参数条件下存在显著差异.重点分析了更加贴近实际碰撞过程的非线性赫兹约束下冲击振动系统的动力学特性,得到了低频域内基本周期冲击振动群的分布区域和转迁规律,发现了相邻基本周期冲击振动转迁过程中出现的两类转迁域(舌形域和迟滞域).进一步讨论了舌形域内亚谐冲击振动的模式类型及产生机理,分析了系统参数对周期运动在(ω,δ)-双参数平面上模式类型及存在区域的影响.
  • 王勇, 李明, 张国翔, 王哓林, 刘厚林 doi: 10.13245/j.hust.238484 P107-114 在线阅读 下载(3.66 MB)
    为了分析新型旋转式水力空化发生器的运行特性,采用试验测试的方法研究了其在不同工况下的输送性能、压力脉动、空泡分布及空化产热等特性.结果表明:旋转式水力空化发生器在设计工况附近具有较好的输送能力;随着流量的增大,压力脉动主频由叶频向孔口频率移动,空化区域扩大,空泡含气率和空化产热逐渐增加;随着进口压力的降低,压力脉动主频由孔口频率向低频段移动,且宽频特性增强,空泡含气率基本不变,空化产热先增加后保持不变;随着转速的增大,压力脉动主频由孔口频率向低频段移动,且离散脉动特性增强,空化区域扩大,空泡含气率和空化产热逐渐增加;在转轮外缘直叶片周期性地诱导产生大空泡团,在一个周期内空泡团发生两次明显脱落,期间伴随着小空泡团连续性脱落;旋转式水力空化发生器可以降解亚甲基蓝,具有良好的空化能力.
  • 吴晓建, 张铭浩, 王爱春, 黄菊花 doi: 10.13245/j.hust.239006 P115-122 在线阅读 下载(2.11 MB)
    针对差速制动系统稳定性控制介入产生车辆瞬态响应突变,使驾驶员主观不适应这一“人”的因素,以及车辆横摆-侧向稳定性动力学与转向系统操纵动力学耦合影响这一“车”的因素,共同引起驾驶员不当操作,对控制系统形成强烈干扰的问题,重点考虑差速制动操稳性控制与转向系统操纵动力学的耦合特性,建立“纵向-侧向-横摆-转向操纵”非线性动力学模型,研究差速制动介入情况下,因动力学系统复杂耦合作用这一“车”的因素导致的驾驶员反馈干扰形成机理,分析并量化驾驶员保持正常驾驶时的转向操纵力矩可能导致的方向盘转角干扰输入.最后,为助力转向系统设计补偿控制策略以消除差速制动操稳性控制主动介入后对转向操纵动力学的耦合影响.
  • 黄通, 刘志浩, 高钦和, 王冬 doi: 10.13245/j.hust.230618 P123-129 在线阅读 下载(2.26 MB)
    针对特种车辆在强爆炸冲击波载荷作用下的倾覆运动状况,按照车辆离地前后的运动演化规律,基于拉格朗日方程建立了强载荷作用下特种车辆轮胎离地前后两阶段的9自由度倾覆动力学方程,确定了模型初始输入量、状态判断量和悬架行程判断量的边界条件,构建了模型的计算流程.通过对比模型计算和试验测量结果发现:横向位移和横摆角度的误差在10%以内;第一次试验计算倾覆角度92°与试验车辆倾覆状态“侧翻”一致,第二次试验计算倾覆角度446°与试验车辆倾覆状态“翻转后侧翻”一致,验证了模型的可信性.最后,基于动力学模型对倾覆运动的影响关系进行分析,提出了具有串联关系的车辆自身抵抗倾覆运动难易程度和车辆安全倾覆范围并对车辆抗倾覆稳定能力进行综合表征的方法.
  • 刘智勇, 林成旭, 叶海波, 廖广兰 doi: 10.13245/j.hust.230619 P130-136 在线阅读 下载(3.1 MB)
    介绍了一种应用于CsPbBr3钙钛矿太阳能电池的旋涂-蒸发两步法工艺,用一步蒸发的方法取代了传统的多步旋涂法,精确地控制了CsBr的厚度,提高了器件的重复性;当CsBr的厚度优化到260 nm时,可以得到纯CsPbBr3钙钛矿.分析了退火温度对钙钛矿薄膜结晶度的影响,结果表明:在350 ℃下可以得到高质量的钙钛矿薄膜,最优钙钛矿太阳能电池器件的光电转换效率为7.2%,开路电压为1.27 V,短路电流为7.55 mA/cm2,填充因子为0.752;此外,所制备的CsPbBr3钙钛矿薄膜在光电探测器应用方面也表现优异,在空气环境下表现出良好的稳定性.
  • 陈路, 黄志高, 周何乐子, 周华民 doi: 10.13245/j.hust.230620 P137-143 在线阅读 下载(2.76 MB)
    针对具有移动边界的塑料复合成形过程模拟中因网格变形而导致的数值稳定性问题,提出了塑料熔体充填模拟的稳定性方法.该方法基于任意拉格朗日欧拉法建立移动边界下充填模拟的控制方程,采用四面体单元中引入中心速度稳定的速度压力耦合计算方案,提升了移动网格下塑料熔体充填模拟的稳定性和精度;进一步针对计算过程中网格变形导致四面体单元反转错误的问题,采用引入反转单元罚函数的线弹性网格优化方法,提升了移动边界下网格变形的稳定性;数值稳定性实验表明该方法在网格极端变形和不同单元纵横比下均能稳定求解.最后采用具有柔性移动边界特征的注射压缩-热压复合成形工艺对该方法进行验证,发现移动边界下塑料熔体流动前沿的模拟误差为3.3%,实现了对此类成形工艺的精确模拟.
  • 姚振华, 闫墩磊, 杨青青 doi: 10.13245/j.hust.230621 P144-151 在线阅读 下载(8.2 MB)
    分析了SiC添加量对真空烧结Ti(C,N)基金属陶瓷的微观组织、力学性能、耐腐蚀性能及耐磨性能的影响,采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及扫描电镜能谱仪(EDS)等表征技术分析了金属陶瓷组织及成分.结果表明:SiC的添加改变了金属陶瓷的微观组织,由黑芯-灰环结构演变为黑芯-白内环-灰外环,再演变为黑芯-白环;金属陶瓷的组织随着SiC的添加变得均匀,晶粒尺寸减小,力学性能先增强后减弱;含1.0%SiC的金属陶瓷具有最佳的综合力学性能,抗弯强度、硬度、断裂韧性分别达到2 020 MPa,90.5 HRA,12.2 MPa∙m1/2;金属陶瓷的耐腐蚀性能随着SiC的添加不断降低,这归因于粘结相中合金元素含量的下降,白色环形相及富含W和Mo的白色颗粒的出现,以及孔洞的存在等;未添加SiC的金属陶瓷具有最好的耐腐蚀性能;金属陶瓷的耐磨性能的变化趋势与力学性能一样,先增强后减弱,含1.0%SiC的金属陶瓷具有最优的耐磨性能.
  • 电子信息工程
  • 张东伟, 梁晓龙, 王鹏, 尹晨晓 doi: 10.13245/j.hust.230624 P152-159 在线阅读 下载(2.19 MB)
    为了支撑跳频(FH)网台分选、支援干扰及信息恢复等任务,在单通道条件下,提出一种基于起跳时刻(SHT)序列检测分选的多跳频信号参数盲估计算法,并实现了异步网台频率自动分选.首先总结了三类侦察场景截获样本起跳时刻序列的理论分布,推导了基于起跳时刻序列分选结果的跳频信号时域参数理论表达;然后通过一种改进的谱熵算法,结合设计的自适应门限,实现对起跳时刻序列的准确检测/提取,据此将截获样本划分为若干频率驻留期(FRT),通过快速傅里叶变换(FFT)结合魏格纳-威利分布(WVD)实现了频率驻留期内频率分量的准确估计;接着充分利用跳频信号频域跳变属性,通过对相邻频率驻留期内频率分量进行跳频检测,实现起跳时刻序列分选,为各跳频信号时域参数盲估计提供了数据支撑;最后总结了所提算法完整流程.理论分析结合蒙特卡罗仿真结果表明:所提算法对不同跳频组网方式均具适应性,估计精度高,计算简单.
  • 宋贤林, 汪睿, 郁小海, 赖叶平 doi: 10.13245/j.hust.238792 P160-165 在线阅读 下载(1.99 MB)
    利用蒙特卡罗方法构建了光子在脑组织中的传输模型,该模型比较了未开颅和开颅下光子在小鼠脑组织中的传播,通过获得的光子轨迹、光能流率和光吸收能量密度以分析颅骨对光子传输的影响.仿真结果表明:开颅下光子轨迹运动范围更广,约为未开颅下的2倍.光吸收能量密度和光能流率的分布总体上是梭形的,其径向分布范围约为未开颅下的2倍;在深度方向,开颅后由于生理盐水和脑脊液的吸收和散射相对于颅骨较弱,到达脑部(灰质和白质)的剩余光子数是未开颅时的约6.35倍,光子能够到达脑部更深处.
  • 张雁鹏, 孟楠, 胥亚丽, 肖夏 doi: 10.13245/j.hust.238319 P166-172 在线阅读 下载(1.62 MB)
    针对基于可见光通信-接收信号强度检测(VLC-RSSI)列车定位过程中存在的噪声、其他光源干扰及测距误差,提出以接收信号强度检测值为观测量的Newton-UKF(牛顿插值-无迹卡尔曼滤波)算法.首先,利用可见光通信-接收信号强度检测获得列车初始位置,建立列车运动模型及系统的状态与量测方程;然后,以接收信号强度检测值为观测量,采用无迹卡尔曼滤波优化列车定位结果,引入牛顿插值法重新估计具有粗大误差的接收信号强度测量数据;最后,以成都地铁1号线真实线路数据和设备信息为依据,通过实验验证所提列车定位优化算法的有效性.结果表明:与无迹卡尔曼滤波相比,Newton-UKF算法的平均定位误差为4.98 cm,能降低粗大测量值造成的误差,提升列车定位精度,定位性能提升66.42%.该方法可为基于通信的列车控制系统中的列车定位提供参考.
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主 管:教育部
主 办:华中科技大学
主 编:李元元
刊 号:ISSN 1671-4512
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