一种单相机测量三维运动轨迹的方法

论文提出了一种基于交汇式双目视觉模型的单个CCD相机三维立体测量方法.在CCD相机前放置两面成一定夹角的平面镜,通过一次拍摄,得到两幅存在视差的图像,该图像相当于相机在平面镜中两个虚拟相机对目标从不同角度拍摄所得到图像,根据双目视觉原理可实现三维立体测量.详细介绍了实验系统的布置方法,建立了三维坐标计算的数学模型,对系统的内外参数进行了标定.测量了静态物体的形态和尺寸,验证了系统的可行性与可靠性.并对运动物体进行了动态测量,通过视频记录物体两个虚像的平面运动图像序列,计算还原了物体空间的三维运动轨迹,并应用误差理论对实验误差进行了分析.     

重复使用火箭着陆结构稳定性分析

近年来,包括中国在内的诸多国家相继开展垂直起降重复使用火箭的研究,运载火箭在平台上垂直着陆时的着陆稳定性为实现运载火箭重复使用的关键问题. 由于在运载火箭设计初期结构设计尚未完成,不具有供着陆稳定性分析的详细的动力学模型,难以开展着陆过程动力学仿真,故对运载火箭着陆稳定性评估方法的研究尤为必要. 本文基于广义碰撞定律,对二维运动模式下运载火箭与着陆平台的多点碰撞过程进行了分析,切向采用库伦摩擦模型给出了切向运动学恢复系数的表达式. 本文首先通过机械能约束和接触碰撞中的单边约束给出了一般运动形式下广义运动学恢复系数的值域,再对两种典型运动模式,给出了该两种典型运动模式下广义运动学恢复系数的值域. 然后考虑着陆腿中缓冲器的作用,将运载火箭与平台的碰撞近似为完全非弹性碰撞,得到了其广义运动学恢复系数,并结合运动学分析和能量法提出了一种基于碰撞后速度的着陆稳定性的判别方法. 最后以某型运载火箭着陆样机的参数为例,分析了碰撞前速度、着陆腿跨距、摩擦系数对着陆稳定性的影响,结果表明,本文提出的稳定性判别方法较能量法更为精确,可以考虑触地速度、角速度、摩擦系数等参数间的耦合关系.      

STABILITY ANALYSIS OF REUSABLE LAUNCH VEHICLE LANDING STRUCTURE$^{\bf 1)}$

近年来,包括中国在内的诸多国家相继开展垂直起降重复使用火箭的研究,运载火箭在平台上垂直着陆时的着陆稳定性为实现运载火箭重复使用的关键问题. 由于在运载火箭设计初期结构设计尚未完成,不具有供着陆稳定性分析的详细的动力学模型,难以开展着陆过程动力学仿真,故对运载火箭着陆稳定性评估方法的研究尤为必要. 本文基于广义碰撞定律,对二维运动模式下运载火箭与着陆平台的多点碰撞过程进行了分析,切向采用库伦摩擦模型给出了切向运动学恢复系数的表达式. 本文首先通过机械能约束和接触碰撞中的单边约束给出了一般运动形式下广义运动学恢复系数的值域,再对两种典型运动模式,给出了该两种典型运动模式下广义运动学恢复系数的值域. 然后考虑着陆腿中缓冲器的作用,将运载火箭与平台的碰撞近似为完全非弹性碰撞,得到了其广义运动学恢复系数,并结合运动学分析和能量法提出了一种基于碰撞后速度的着陆稳定性的判别方法. 最后以某型运载火箭着陆样机的参数为例,分析了碰撞前速度、着陆腿跨距、摩擦系数对着陆稳定性的影响,结果表明,本文提出的稳定性判别方法较能量法更为精确,可以考虑触地速度、角速度、摩擦系数等参数间的耦合关系.     

昆虫自由飞行参数的双棱镜虚拟双目测量

通过像机前加一个双棱镜实现单像机的虚拟双目拍摄,根据立体视觉原理可以获取空间点三维信息,该装置被用于测量昆虫自由飞行运动参数。如果双棱镜和像机摆放得当,可以简化立体视觉测量中对应点匹配这一最难步骤。实验获得了蜻蜓直飞过程中的一系列运动参数,将这些参数结合起来考察对于研究昆虫飞行机理非常有意义。特别地,我们对昆虫飞行中翅膀的柔性效应进行了初步讨论。     

基于真实工况下的工业机器人关节转角辨识与分析

本文基于多目视觉测量系统,对真实工况下连续运动的工业机器人进行关节转角的实时重构．该方法通过机器人运动前后的坐标集,在对刚体运动进行最优拟合的条件下,采用最小二乘法获得了各关节的旋转矩阵与平移向量．在此基础上,在考虑相邻关节牵连运动的前提下,获得了各关节的相对旋转矩阵．结合罗德里格斯变换理论通过相对旋转矩阵,确定了各关节转角．仿真与实验分析,验证了该方法的有效性与正确性．在该测量与辨识体系下,初步确定了各关节转角随机器人运动的真实状态．2与3杆臂由于物理尺寸呈细长形状,连杆挠度较大,这时变形误差与振动建立了关系,角振动幅度很大,曲线随机性较强．其余杆臂由于刚度较大,关节转角曲线呈光滑状态．     

多体系统动力学中关节效应模型的研究进展

在一般的多体系统动力学研究中认为运动关节是理想运动副. 然而,实际中的运动关节不仅含有间隙与摩擦,还有间隙引起的关节元素之间的接触碰撞、局部变形和磨损. 多体系统动力学中的关节效应不仅引起了系统的振动和噪声,减小了系统的可靠性和寿命,而且损失了系统的精度和稳定性. 为此,对近十几年多体系统动力学中关节效应的研究进行了详细分析,总结了关节效应中间隙运动学模型、接触力模型与磨损模型在多体系统动力学中的建模过程. 其中,着重分析了多体系统动力学中关节磨损效应的研究进展,并对常用的Reye'shypothesis 和Archard 磨损模型进行了比较,详细地分析了Archard 磨损模型的演变形式以及主要磨损参数(接触应力,接触面积和滑移距离),特别分析了关键磨损参数接触应力的建模方法,解释了基于Winkler 弹性基础理论在求解接触应力时遇到的困难. 另外,介绍了4 种间隙运动副(转动副、移动副、圆柱副和球面副) 的运动学模型. 分析了考虑关节磨损多体系统动力学模型的一般建模方法,并以平面五杆机构为例说明了其建模过程.最后,简要地展望了多体系统动力学中关节效应模型的发展趋势以及应用前景.      

体操自由操落地双侧下肢生物力学对称性研究

创建19环节三维多刚体模型调查体操自由操落地双侧下肢生物力学对称性。采用运动学(三维运动捕捉、高速摄像)和动力学(三维测力平台)方法采集40 cm和80 cm高度自由落地动作,获得下肢关节角度和地面反作用力,用于验证所创建的三维多刚体模型。然后使用高速摄像系统采集体操团身后空翻一周(后团)落地动作,数字化解析获得运动学数据,驱动三维多刚体模型完成计算机仿真,计算双侧下肢动力学参数。对比实验测量,模型仿真获得的地面反作用力峰值最大差值为3.8%,运动学和动力学复相关系数为0.92～0.97。尽管体操运动员采用双脚同时落地方式,下肢关节运动学角度呈现相似性,但两侧下肢动力学参数,如水平地面反作用力、下肢关节力矩、关节肌肉做功等呈现明显的不对称性。所创建的19环节三维多刚体模型可用于调查确定体操自由操落地下肢生物力学特征;体操运动员下肢动力学特征呈现非对称性;双侧不对称的动力学参数可能是体操落地下肢高损伤率的重要因素。     

航空遥感用惯性稳定平台动力学耦合分析

航空遥感用惯性稳定平台承载重量较大的成像载荷,系统相对复杂,耦合明显。根据航空遥感用三轴惯性稳定平台的结构特点,应用矢量叠加原理推导了平台环架运动学方程,建立了欧拉动力学模型,并分析了基座运动情况下各环架间的动力学耦合误差。仿真结果表明,基座对平台环架耦合较大,环架交叉耦合相对较小,且在外界干扰下基座及环架间的耦合加强。研究结果为稳定平台控制系统设计提供了依据。     

踝关节外骨骼人机耦合动力学与助力性能分析

踝关节在人体下肢运动过程中提供了最大的关节力矩, 因此在下肢增强型外骨骼的研究中, 踝关节外骨骼受到了重点关注. 穿戴外骨骼的人体的行走是典型的动力学问题, 但目前人机耦合动力学的相关研究还处于早期阶段. 本文以绳驱踝关节外骨骼为研究对象, 融合机器人正运动学方法和拉格朗日方程建立了考虑足?地交互力、人体关节力矩和外骨骼力矩的人?机耦合动力学模型. 模型中, 足?地交互力由Kelvin-Voigt模型结合库伦摩擦模型描述, 人体关节力矩由基于粒子群优化的PD控制生成, 外骨骼期望力矩由上层控制器依据人体步态周期确定. 通过基于模型的动力学仿真, 本文从人体踝关节角度、踝关节力矩、踝关节功率和踝关节做功多个角度系统分析了踝关节外骨骼对人体行走的助力效果. 研究表明, 在2.0 km/h到6.5 km/h的人体步行速度下, 穿戴外骨骼可以实现至少24.84%的人体踝关节平均力矩下降和至少24.69%的踝关节做功下降. 本文也开展了基于SCONE平台的肌肉骨骼建模和预测仿真. 仿真结果表明, 在3.6 km/h的步行速度下, 穿戴外骨骼可以有效降低比目鱼肌的激活度峰值, 并使肌电信号的RMS值下降了6.21%, 从而从生理学的角度证实了踝关节外骨骼的助力效果. 本文的结果进一步完善了人体下肢?外骨骼耦合系统的动力学建模和分析方法, 从动力学和生理学角度证实和解释了踝关节外骨骼对行走的助力机制, 也为今后下肢外骨骼的实验研究提供了理论支撑.      

大范围运动细长柔性空间结构动力学特性分析

自由-自由边界无约束状态的细长柔性空间结构大范围运动时的动力学特性对整体结构运动分析和运动控制系统设计具有极其重要的作用。通过浮动坐标系建立结构的运动学关系;借助假设模态法对结构变形进行变量分离;利用Lagrange’s方程建立了结构的刚柔耦合振动方程;再通过Rayleigh-Ritz法,以无大范围运动时的振型函数作为基本解组,得到了大范围运动影响下的结构振动特征方程,求解该方程得到了结构频率和振型。通过几组数值算例的对比分析,指出了非耦合模型和耦合模型下结构频率及振型之间的差异。     

DYNAMIC MODELING OF NONIDEAL SYSTEM BASED ON GAUSS'S PRINCIPLE$^{\bf 1)}$

高斯原理给出了通过求函数极值、从可能运动中鉴别出真实运动的规则, 它可以使得多体系统动力学问题不需通过求解微分(代数)方程, 而是采用求解最小值的优化方法来解决, 从而提供了一种适用于优化算法的建模思路, 因此, 如何定义恰当的高斯拘束函数是动力学优化方法得以实现的前提. 对于理想系统而言, 约束对系统的作用可以通过约束方程来体现, 故高斯拘束可表达为系统质点加速度的函数, 系统的动力学问题因此可以描述为目标函数为高斯拘束函数、优化变量为质点加速度的约束最优化问题; 当系统中需要考虑干摩擦等非理想因素时, 部分相互作用不能被所定义的约束方程所涵盖而需要采用额外的物理规律来描述, 这种相互作用破坏了原有的针对理想系统的高斯拘束函数的极值特性. 基于变分类的高斯原理, 推导并证明了目标函数以理想约束力所表达的非理想系统的极值原理, 针对目前文献中用于非理想系统的高斯原理进行了讨论, 指出其实际为文中的极值原理在非理想约束力与理想约束力无明显关联时的一种特殊表达形式, 当非理想约束力与理想约束力有明显的函数关系(如库仑摩擦定律中滑动摩擦力与法向约束力间的线性关系)时, 该形式失效; 同时根据文中的极值原理, 得到了考虑库仑摩擦时非理想的多体系统动力学问题的优化模型. 例子中分析了优化模型及相应的线性互补性模型的关系, 分析发现在满足刚体滑动问题的唯一性条件下二者互为充分必要条件, 从而证明了文中优化模型的可靠性; 并采用优化计算方法进行了动力学模拟, 模拟结果显示了将高斯原理与优化算法相结合的可行性及有效性.     

基于高斯原理的非理想系统动力学建模

高斯原理给出了通过求函数极值、从可能运动中鉴别出真实运动的规则, 它可以使得多体系统动力学问题不需通过求解微分(代数)方程, 而是采用求解最小值的优化方法来解决, 从而提供了一种适用于优化算法的建模思路, 因此, 如何定义恰当的高斯拘束函数是动力学优化方法得以实现的前提. 对于理想系统而言, 约束对系统的作用可以通过约束方程来体现, 故高斯拘束可表达为系统质点加速度的函数, 系统的动力学问题因此可以描述为目标函数为高斯拘束函数、优化变量为质点加速度的约束最优化问题; 当系统中需要考虑干摩擦等非理想因素时, 部分相互作用不能被所定义的约束方程所涵盖而需要采用额外的物理规律来描述, 这种相互作用破坏了原有的针对理想系统的高斯拘束函数的极值特性. 基于变分类的高斯原理, 推导并证明了目标函数以理想约束力所表达的非理想系统的极值原理, 针对目前文献中用于非理想系统的高斯原理进行了讨论, 指出其实际为文中的极值原理在非理想约束力与理想约束力无明显关联时的一种特殊表达形式, 当非理想约束力与理想约束力有明显的函数关系(如库仑摩擦定律中滑动摩擦力与法向约束力间的线性关系)时, 该形式失效; 同时根据文中的极值原理, 得到了考虑库仑摩擦时非理想的多体系统动力学问题的优化模型. 例子中分析了优化模型及相应的线性互补性模型的关系, 分析发现在满足刚体滑动问题的唯一性条件下二者互为充分必要条件, 从而证明了文中优化模型的可靠性; 并采用优化计算方法进行了动力学模拟, 模拟结果显示了将高斯原理与优化算法相结合的可行性及有效性.      

多相机3D-DIC及其在高温变形测量中的应用

将基于双目视觉的三维数字图像相关方法 (Three-dimension digital image correlation,3D-DIC)与多相机同步采集系统相结合,形成基于多相机的3D-DIC系统。依据三维空间误差(Three-dimensional residual,3Dresidual)最小原则,确定各点对应的最佳双目视觉系统,获得物体全场三维变形。以四相机3D-DIC系统为例,与测量精度达10~20nm的电子散斑干涉测量系统同时对平板的离面位移进行测量,并对测量得到的离面位移最大值进行了对比分析。结果显示,荷载较小时,四相机3D-DIC与电子散斑干涉测量系统误差稍大,最大达到2.7%;荷载增大,物体变形增大时,两种测量系统结果基本相同。文中讨论了四相机测量系统的不稳定对实验结果的影响。利用该四相机3D-DIC系统对镍合金不锈钢材料在高温场中的变形进行测量,获得了物体的三维变形场,并分析了材料的膨胀系数,得到了试件的热应变-温度曲线和膨胀系数随温度变化的关系式。     

用于物体表面形貌和变形测量的三维数字图像相关方法

使用单个摄像机的二维数字图像相关方法通常仅局限于平面物体的面内变形测量,而使用两个摄像机基于双目立体视觉原理的三维数字图像相关方法克服了这一局限,可对平面和曲面物体表面的三维形貌和载荷作用下的三维变形进行测量。本文介绍了三维数字图像相关方法的基本原理及其关键技术,并用两个典型的实验验证了该方法的有效性。     

Theory of adaptive mechanical drive

A kinematic chain with two degrees of freedom and one input can have definability of motion only if there is an additional constraint of forces and velocities. Such a chain is a mechanism that has the brand new property of force adaptation. The article presents a kinematic and force analysis of two-mobile adaptive mechanisms and describes the principle of definability of motion.     

Orthogonal Complement Based Divide-and-Conquer Algorithm for constrained multibody systems

A new algorithm, Orthogonal Complement based Divide-and-Conquer Algorithm (O-DCA), is presented in this paper for calculating the forward dynamics of constrained multi-rigid bodies including topologies involving single or coupled closed kinematic loops. The algorithm is exact and noniterative. The constraints are imposed at the acceleration level by utilizing a kinematic relation between the joint motion subspace (or partial velocities) and its orthogonal complement. Sample test cases indicate excellent constraint satisfaction and robust handling of singular configurations. Since the present algorithm does not use either a reduction or augmentation approach in the traditional sense for imposing the constraints, it does not suffer from the associated problems for systems passing through singular configurations. The computational complexity of the algorithm is expected to be O(n+m) and O(log(n+m)) for serial and parallel implementation, respectively, where n is the number of generalized coordinates and m is the number of independent algebraic constraints.     

Rate effect on sharing of passive lumbar motion segment under load-controlled sagittal flexion: viscoelastic finite element analysis

Industrial epidemiological studies have shown that jobs requiring a higher speed of trunk motion contribute to a higher risk of industrial low back disorders. Consideration of the loading dynamic characteristics, such as lifting at different speeds, requires modeling of the viscoelastic behavior of passive tissues. Detailed systematic analysis of the effects of loading rate has been lacking in the literature. A validated viscoelastic finite element model of a L2–L3 motion segment was used to identify the load sharing among the passive elements at different loading rates. Force controlled complex flexion movement was simulated by applying load at the top of the upper vertebra without constraining any coupled sagittal rotation, whereas the lower vertebra was fixed at the bottom. The load reached its maximum values of 2000 N compression, 400 N anterior shear, and 20 Nm flexion in three different durations of 0.3, 3 and 30 s to represent fast, medium and slow movement. The global force–displacement response of the motion segment, forces in facet joints and ligaments, stresses and strains in anulus fibrosus, and intradiscal pressure were compared across different rates. The higher rate of loading while reaching a prescribed complex forward flexion loading increased the intradiscal pressure and the stress in the anulus fibers at the posterolateral innermost layers, but reduced the global displacements, ligament forces and facet joint forces. The distribution of stress and strain was markedly affected by the loading rate. Consideration of the time-dependent material properties of passive elements is essential to improve our understanding of the responses of the motion segment to dynamic loading conditions. Speed of the manual materials handling (MMH) tasks should be included as a risk factor in the biomechanical and epidemiological studies and guidelines for safe lifting.     

Forward and inverse dynamics of nonholonomic mechanical systems

This paper deals with the forward and the inverse dynamic problems of mechanical systems subjected to nonholonomic constraints. The intrinsically dual nature of these two problems is identified and utilised to develop a systematic approach to formulate and solve them according to an unified framework. The proposed methodology is based on the fundamental equations of constrained motion which derive from Gauss’s principle of least constraint. The main advantage arising from using the fundamental equations of constrained motion is that they represent an effective method capable to derive the generalised acceleration of a mechanical system, constrained in general by a set of nonholonomic constraints, together with the generalized constraint forces (forward dynamics). When the constraint equations are used to represent the desired behaviour of the mechanical system under study, the generalised constraint forces deriving from the fundamental equations of constrained motion provide the control actions which reproduce the specified motion for the system (inverse dynamics). This approach is systematically extended to underactuated mechanical systems introducing a new method named underactuation equivalence principle. The underactuation equivalence principle is founded on the key idea that the underactuation property of a mechanical system can be mathematically represented using a particular set of nonholonomic constraint equations. Two simple case-studies are reported to exemplify the proposed methodology. In the first case-study the computation of the generalised constraint forces relative to the revolute joint constraints of a physical pendulum is illustrated. In the second case-study the calculation of the control action which solves the swing-up problem for an inverted pendulum is described.     

斑马鱼C型起动中动力学特性的活体实验研究

提出了一种从鱼类自主游动的运动学实验数据出发推算其动力学特性的实验研究方法。该方法基于变形体动力学方程,不仅可以计算出变形鱼体的整体转动角速度以完善其运动学数据,还可以计算出作用在自主游动的鱼体上的流体合力和流体合力矩,进而分析鱼体的力能学特征。本文运用此方法研究了斑马鱼的两种典型C型起动,对比分析了它们的运动学及力能学特征。结果表明,在相仿的C型弯曲变形下,逃逸型C型起动与非逃逸型C型起动相比,前者推力较大,导致其在前进方向上的质心速率较大;前者侧向力较大,导致其转弯半径较小;前者转矩较大,但因在起动中后期的S型摆动产生了反向转矩,最终导致转动角度小于后者。通过对两种典型C型起动的实验研究发现,斑马鱼会因不同的运动需求而表现出不同的机动性能。