摘要:为研究可穿戴柔性上肢外骨骼的发展现状和其面临的关键技术难题,对目前该领域的文献进行了分析与总结。外骨骼可以有效地提供保护、支撑等功能,解决高强度重复性工作导致的肢体疲劳和身体机能衰退,以及中风或职业病导致的肢体运动障碍。此外,它们有能力通过额外的动力和功能来恢复或增强人类的运动能力。可穿戴柔性外骨骼作为一种新兴的外骨骼发展方向,相较于传统的刚性外骨骼,具有结构柔顺、人机交互性好和穿戴舒适性好等明显优势。首先,本研究结合柔性上肢外骨骼的3种主要驱动方式（绳驱、气动、形状记忆合金）,详细解析不同驱动方式的相关研究成果和相应结构特点。然后,从结构、材料、控制、辅助4个方面分析和阐述如今柔性上肢外骨骼面临的关键技术挑战。最后,结合外骨骼在不同领域应用的需求,推测未来柔性上肢外骨骼技术将向灵活化、舒适化、顺应化、智能化方向发展。研究表明,可穿戴柔性上肢外骨骼的技术尚处于初始阶段,仍有许多技术难题亟需解决,同时,新型的柔性执行器,柔性传感器等可为关键技术难题的突破提供参考。

摘要:为进一步实现液体运载火箭贮箱箱底结构轻量化,在实际工况的约束下,综合现役箱底的载荷特点（贮箱箱底厚度参数和火箭运行内压值的理论关系）,对贮箱箱底的结构进行参数化。提出剩余强度系数作为贮箱箱底的设计载荷指标,结合工况建立了箱底厚度设计准则,剩余强度系数不小于1时满足工程需要,并以此对箱底厚度进行优化。根据设计准则可以建立开口与箱底厚度的关系,更精确的给定设计箱底临界厚度值。建立的箱底厚度设计准则可以对已设计完成的贮箱箱底进行内压承载能力进行验算。运用实际工况数据验证了设计准则的可用性,并提出了旋压型箱底的厚度分区轻量化方法。此外,根据贮箱箱底管路接口、传感器接口各方面输入输出的交互影响,建立了贮箱箱底开口多约束评估模型。通过参数化平台实现方法的具体实用性及自动化建模。结果表明,旋压型箱底的厚度分区轻量化方法可以实现箱底平均减重约30%。参数化平台和自动化建模为提高贮箱箱底设计效率提供了一种新的方法。

摘要:为提高变面积机翼的性能,实现光滑柔性的无缝变形,提出了一种新型的基于负泊松比蜂窝结构的变面积机翼设计。首先,通过将负泊松比蜂窝结构单元运用到变面积机翼的设计中,利用负泊松比单元的拉胀特性,可以使机翼结构在发生展向变形的同时,发生弦向上的变形,由此实现更大的面积变化。然后,为实现对变面积机翼结构的变形轮廓控制,设计了一种新型的局部负泊松比可调的蜂窝结构单元,通过有限元仿真对其相对弹性模量和泊松比的调控规律进行了分析。最后,通过对机翼结构中的蜂窝结构单元参数优化设计,验证了其对变面积机翼结构的变形轮廓控制能力。研究结果表明,当机翼结构沿展长方向变形量为10.0%时,变面积机翼实现了23.9%的面积变化,且机翼结构变形后轮廓与目标轮廓吻合较好,形状误差仅为1.09%。同时机翼结构具有良好的承载性能,对于使用7075铝合金材料的变面积机翼结构,在承受15 kPa的气动载荷时,最大面外位移为0.645 mm。初步验证了基于负泊松比蜂窝结构的变面积机翼设计的可行性,为变面积机翼结构的设计提供了一种新思路。

摘要:为减小翼伞系统的着陆速度,提高载荷的着陆安全性,提出了最优雀降高度确定方法,并完成相对雀降高度和着陆速度影响因素及计算模型研究。首先建立了翼伞-载荷系统两体九自由度动力学模型和雀降操纵耦合气动特性模型,更真实地模拟了翼伞-载荷两体之间操纵情况下的运动性能,研究了雀降操纵下翼伞系统的速度、姿态变化,数值结果和文献规律一致,滑翔比最大误差为8.20%。其次,基于该两体模型,以最小垂直着陆速度为优化目标,采用时间二分法确定最优雀降高度,分析了雀降操纵时机对着陆速度的影响。然后,开展了不同初始工况、翼载荷、着陆海拔高度、安装角下翼伞系统最优雀降实施的仿真计算,并采用最小二乘法完成了相对雀降高度、着陆速度的公式拟合。结果表明:初始参数对相对雀降高度几乎没有影响；随着翼载荷及着陆海拔高度的升高,着陆速度及相对雀降实施高度增加；安装角对着陆速度影响不大,但安装角的增大会引起雀降实施高度增加；所提出的相对雀降高度和着陆速度计算模型与仿真结果较为符合,最大误差小于4.00%,表明该计算模型有良好的适用性。

摘要:为求解复杂的多弹多阶段协同弹道规划问题,提出一种增广集中式-协同弹道规划算法(AC-CTPM)。首先根据制导炮弹飞行过程中各阶段特性建立5阶段弹道规划模型,之后将np发制导炮弹的5阶段弹道规划问题组合扩展为较为复杂的5n_p阶段最优控制问题,然后采用多阶段Radau伪谱法将无限维最优控制问题(OCP)离散为有限维非线性规划问题(NLP),最后调用成熟的NLP求解器SNOPT求解。为提高对复杂的5n_p阶段最优控制问题的求解效率,在AC-CTPM中提出一种将2D标称弹道转换为3D预测方案弹道的协同弹道规划问题初始值获取方法(IGVAM),每一发制导炮弹分别以各自发射点为原点建立新地面坐标系,在新地面坐标系内快速规划出2D方案弹道,之后通过扩展和坐标转换将新坐标系中规划的2D方案弹道转换成原地面坐标系中的3D方案弹道,这些3D方案弹道组合构成协同弹道规划问题的初始预测。采用AC-CTPM算法对单炮多发、多炮齐射同时弹着任务场景进行仿真求解,获得了满足炮弹自身约束以及协同约束的协同方案弹道,验证了AC-CTPM算法的有效性。与分布式协同弹道规划算法(D-CTPM)以及传统集中式协同弹道规划算法(TC-CTPM)进行仿真对比,结果表明:AC-CTPM算法规划的协同方案弹道的目标函数平均比TC-CTPM 算法优5.07%,比D-CTPM算法优32.98%,而AC-CTPM算法的求解耗时却比TC-CTPM 算法减少86.48%,比D-CTPM减少82.36%,验证了AC-CTPM算法的优越性。

摘要:为准确预测变厚度铺层夹层结构的固化变形,基于热-化学-结构多物理场耦合方法对AS4/8551碳纤维/环氧树脂复合材料-Nomex蜂窝夹层结构的固化过程进行数值模拟。考虑材料时变特性的影响,结合复合材料瞬时线弹性本构模型、细观力学理论和改进的Gibson等效理论建立起夹层结构三维有限元仿真模型,研究了结构在整个固化周期中的固化度场、温度场和应力-应变场的分布关系,并同已有的实验结果进行对比验证,最后通过解析模型分析预固化工艺对结构回弹变形的影响规律。结果表明:建立的有限元模型能够比较准确地反映结构固化过程,固化变形的平均预测误差为4.8%,最大预测误差不超过6.0%；变厚度铺层设计对较薄区域面板的固化应力影响较大,表现为沿厚度方向的向上剪切应力,在冷却阶段集中于结构端部并转化为结构翘曲；面板预固化处理削弱了固化放热和材料各向异性对夹层结构固化变形的影响,0.25预固化程度下结构最大变形的降低幅度达到14.78%。研究结果为复杂设计蜂窝夹层件制造精度的提升和工艺优化提供了重要参考。

摘要:为解决全局离群点检测方法无法对局部离群点进行检测,以及局部异常因子在面对大量局部离群点时性能下降的问题,利用k近邻（KNN）和核密度估计方法（KDE）提出一种基于改进快速搜索和发现密度峰值聚类算法（KDPC）的离群点检测与解释方法,该方法能够同时对数据点的全局和局部进行分析。首先,利用k近邻和核密度估计方法计算数据点的局部密度,代替传统DPC算法中根据截断距离计算的局部密度。其次,将数据点的k近邻距离之和作为全局异常值,并通过KDPC聚类算法计算簇密度以及数据点的局部异常值。最后,将数据点的全局与局部异常值进行乘积作为最终异常得分,选取异常得分最高的Top-n作为离群点,通过构建全局-局部异常值决策图对全局和局部离群点进行解释。利用人工数据集和UCI数据集进行实验并与10种常用离群点检测方法进行比较。结果表明,该方法对全局和局部离群点都有着较高的检测精度和检测性能,并且AUC方面受k值影响较小。同时,利用该方法对NBA球员数据进行分析讨论,进一步证明了该方法的实用性和有效性。

摘要:为解决磁悬浮系统中存在的未知干扰导致的控制性能下降问题,提出了一种利用梯度信息自适应观测带宽的自抗扰控制方法(adaptive linear active disturbance rejection control,ALADRC)。首先,建立单点悬浮系统的非线性模型,理论推导出单点悬浮系统的自抗扰参数稳定域,并由此得出临界带宽概念；其次,根据观测误差最小化推导出自适应线性扩张观测器的迭代公式,增强了系统参数的稳定性,即使当前带宽会使系统发散,ALADRC也可以自动调节到相对最优稳定带宽点,使自整定变得可行,同时当遇到扰动时,带宽也会做出相应调整,增强系统抗扰能力；然后,仿真分析了ALADRC在不同学习率下观测带宽的收敛情况,得出学习率越大观测带宽收敛速度越快,最后收敛的带宽值也相对越大,且根据临界带宽和系统单位尺度可以反向推导出学习率的数量级,简化学习率的调整；最后,在单点悬浮平台上分别对比PID（proportional integral derivative）、LADRC（linear active disturbance rejection control）和ALADRC的控制效果。结果表明,相较于PID和LADRC,ALADRC的综合控制性能最优,可以实现快速无超调起浮,具有良好的自调节和抗扰能力。

摘要:为解决非圆齿轮行星轮系动力学模型不完善、非线性动力学特性难以获取等问题,提出了一种非圆齿轮行星轮系动力学建模方法,并聚焦于时变参数激励下系统的动态响应机制,对非圆齿轮行星轮系非线性动力学特性进行研究。为精确分析系统非线性振动,对非圆齿轮齿侧间隙函数进行了拟合,在综合考虑齿面摩擦、时变啮合刚度、黏弹性阻尼、静态传递误差的基础上,通过引入相对位移坐标消除非线性方程的变量耦合。在此基础上,建立非圆齿轮行星轮系传动系统的动力学模型,并利用四阶变步长Runge-Kutta数值方法对系统非线性动力学方程组进行求解。获取了分岔图、时域图、相轨迹以及Poincaré映射,得到阻尼、齿面摩擦、时变啮合刚度等控制参数激励下系统的动态响应分布规律。结果表明:随各激励参数取值不同,系统呈现出混沌和周期运动相互过渡状态；合理选取激励参数,可减小系统在混沌与周期运动之间的时间间隔,快速进入稳定运动状态。研究成果可为抑制非圆齿轮行星轮系传动系统非线性振动、预测系统的动力学行为提供理论依据。

摘要:为精确预估旋转声场的声辐射,提出了一种克希荷夫旋转声场预估方法。以旋转点声源的声辐射为基础,利用球谐波、勒让德函数和偶极子几何关系,构建了旋转横向和纵向两种偶极子源的声辐射频域解析式,量化了横向和纵向偶极子源对旋转声场声辐射的贡献；引入克希荷夫积分,融合旋转点源及偶极子源,构造了旋转克希荷夫源,推导了旋转克希荷夫源的声辐射预估数学模型及其声压解析式,确定了解析无限项谐波阶次截断的关键影响因素及其截断门限值。经数值仿真,探讨了旋转马赫数Ma<1时,基频、旋转频率和旋转半径对旋转声场的影响,给出了旋转声场的声压空间分布、多普勒和指向性特征,并经声场等价性验证,空间任意点声压值相对误差为0.05,进一步证明了旋转克希荷夫源的有效性。在半消声室对旋转声场进行实验测试,结果表明:与仿真一致,验证了克希荷夫积分方法的有效性和精确性；该方法通过构建的旋转克希荷夫源代替传统点源叠加,有效提高了旋转声辐射预估精确性。

摘要:为提高五轴混联机构对复杂曲面及其特征的加工质量,提出一种准确识别曲率点的时间最优速度规划及精准插补方法。首先,采用向心法生成路径节点参数,作密集化处理生成速度节点参数；其次,用B样条描述速度曲线,通过伪加加速度将三阶约束模型转变为线性模型；然后,以速度节点参数为分段点,构造各段路径的时间积分函数,采用自适应辛普森积分法求解；最后,将所得离散点信息输入到运动控制卡进行轨迹加工。实验结果表明:本方法可快速收敛到全局最优,降低曲率点速度并迅速回升其邻域速度；计算所得路径总时间仅有3.5 μs的波动,与常规插补方法收敛后的精度一致,且收敛时间更短；位置和角度的最大插补误差分别为0.76×10^-3 mm和0.9×10^-3°,小于编码器分辨率,符合加工需求,特别是极大曲率处相比一般方法降低95.37%。因此,在路径曲线基础上生成的速度节点参数具备更好的曲率识别性,通过构造各段路径的时间积分函数求解路径总时间具备更高的鲁棒性与效率。

摘要:为提升压雪车在滑雪场行驶与作业的夜间环境感知能力,提出了压雪车车载激光雷达点云时域波形阶跃值检测的雪道分割算法,并构建了适用于高山滑雪场的实时定位与建图算法（SLAM）。首先,对点云反射率分布进行统计并标记飘雪噪声点,利用邻近点线性插值方法对标记的飘雪噪声进行处理,保证点云的时域波形连续性,同时在特定扫描视角内划分栅格并以相邻网格高程值变化实时估计坡度。其次,根据山地滑雪场典型障碍设计了相应的时域波形阶跃值检测判据,筛选雪道-障碍分界点,划分扫描区间并对区间内的波形阶跃值进行包络,实现雪道点云特征分割。然后,根据雪道分割结果对特征进行分类匹配,并利用特征约束方法提高建图速度。最后,在张家口万龙滑雪场的高级和中级雪道进行算法效果验证测试。测试结果表明:所提出的雪道分割算法对单帧点云数据的处理平均耗时为2.36 ms,平均分割准确率可达98.54%,在基于雪道分割算法的改进SLAM方法中可以准确实现雪道-障碍分割,在建图精度方面表现更为优越且大幅缩减了计算耗时。

摘要:为实现引信安全系统状态的恢复功能,满足引信全域安全控制的需求,提出了一种双工形压电驱动器应用于机电安全系统中。首先,参考双足式压电驱动器并根据设计要求对双工形压电驱动器进行了结构设计,并分析了其工作机理。然后,对设计的双工形压电驱动器进行了结构优化,基于优化结果给出驱动足的运动轨迹方程,保证了驱动足形成类椭圆运动轨迹。接着,搭建了实验平台对双工形压电驱动器样机进行驱动特性测试分析,确定了最佳工作频率,并得到了双工形压电驱动器往返运动速度和激励电压峰峰值的关系曲线。最后,针对引信高冲击工作环境,提出双工形压电驱动器抗高过载措施,并对压电驱动器进行抗高冲击过载实验。结果表明:压电驱动器的运动速度与激励电压峰峰值呈正相关,且在频率为130 Hz的激励电压作用下,压电驱动器的运动速度最佳；双工形压电驱动器在20 kg冲击载荷作用下仍能正常工作,验证了抗高过载措施的有效性。进一步验证了双工形压电驱动器实现引信安全状态可恢复功能的可行性。

摘要:为快速、准确检测沥青路面回收料（reclaimed asphalt pavement,RAP）的级配,提高RAP级配的检测效率并降低人工操作对检测结果的影响,将目前检测RAP性能常用的设备与方法相结合,提出了一种对RAP含水率、RAP的油石比及其级配一体化检测的方法。同时,针对目前RAP检测存在的问题,设计了新型的RAP级配自动检测设备,实现了RAP级配的自动实时检测。首先,根据RAP级配的检测功能要求设计了检测设备的整体结构。其次,建立了检测设备核心关键结构振动筛分部件的仿真模型,采用EDEM离散元仿真软件模拟了筛分全过程；仿真采用控制变量法对振动筛中的集料颗粒在不同筛面倾斜角、振动频率、振动方向角等参数的情况下进行对比分析。最后,以符合标准要求的最优筛分效率为目标对振动筛进行优化设计。结果表明:当振动筛倾斜角为3°、振幅为4 mm、振动频率为16 Hz、振动方向角为63°时,振动筛各层筛网的筛分效率均达到91%以上,能够满足实际需要。证明了RAP级配自动实时检测系统能实现RAP含水率、RAP的油石比、级配的检测,为实现智能再生拌合站的研发提供可能,同时该检测系统也可代替人工作为日常沥青混合料级配监测的新手段。

摘要:方矩形管在辊弯成形中会产生角部开裂现象,这已成为严重制约方矩形管质量的关键问题,为解决其角部开裂缺陷展开深入研究,寻找控制开裂缺陷的方法。首先通过对MS1180进行单轴拉伸、缺口拉伸和平面应变实验得到了材料的力学特性,并分别利用3种拉伸试验将Ayada、Rice-Tracey和标准化Cockroft-Latham准则进行校准,得到了预测误差最小的一种断裂准则,并以此构建了方矩管辊弯开裂模型。其次利用辊弯成形COPRA RF设计软件和有限元MARC仿真专业软件,结合生产实际条件建立了方矩形管连续辊弯成形三维有限元模型,并进行辊弯实验验证模型的准确性。最后采用扫描电镜和金相显微镜对方矩形管开裂件以及断口进行微观观察,针对性的利用有限元模型探究了方矩形管连续辊弯成形时应力-应变分布规律,并分析了道次数量、角部成形半径和机架间距对方矩管角部应力-应变分布的影响。结果表明:发现材料起裂点位于角部近外层,对开裂断口进行分析,得到其开裂方式为准解理开裂,角部剪切面上所受的主应力过大导致其开裂；增加辊弯道次数量、方矩形管角部成形半径以及机架之间的间距能有效减少开裂问题的出现,为以后解决方矩形管角部开裂问题提供了理论基础。

摘要:为提高海上作业装备的安全性能,实现海上结构物运动的实时预报,本研究利用了一种卷积神经网络（convolutional neural network, CNN）方法与长短期记忆（long short-term memory, LSTM）方法混合的深度学习模型用于运动预测,该混合模型运用CNN提取运动数据的特征,采用LSTM学习提取出的特征间的时间关系,并结合贝叶斯(Bayesian)优化算法优化混合模型的超参数。首先,对海工平台进行数值仿真,将得到的纵荡运动数据作为实验数据。其次,将数据集划分为训练集、验证集与测试集,利用训练集与验证集进行训练与验证,获得6、12、18 s运动最优预测模型,并利用测试集与LSTM模型进行比较。结果表明:混合模型在6、12、18 s预测上相比于LSTM等模型,预测精度可以提高15%~30%。除此之外,本研究还分别探究了预测精度与输入时长、预测时长之间的关系,结果显示预测精度受输入时长的影响较小,但随着预测时长的增加近似呈线性下降趋势。最后结合训练耗时证明了混合模型相比于LSTM等模型更具有优势。