一种压电驱动的三足爬行机器人

机器人领域涉及到力学、机械、材料、控制、电子和计算机等多个学科. 其中, 爬行机器人可在极端环境下工作, 进而可有效降低人工作业的危险性并提高工作效率. 因此, 爬行机器人一直是机器人领域的重点研究对象. 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的新型功能陶瓷材料. 逆压电效应是指当在电介质的极化方向施加电场, 这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力, 当外加电场撤去时, 这些变形或应力也随之消失. 本文基于压电陶瓷的逆压电效应设计了一种由3条弯曲变截面梁支撑的一体化三足爬行机器人. 利用理论力学方法对该三足爬行机器人建立整体受力分析方程, 再用哈密顿原理对变截面、变角度梁建立动力学方程, 最终得到了可求解该三足爬行机器人的压电驱动腿固有频率的方程. 设计并制作了三足爬行机器人实物, 通过实验测试了不同弯折角度、不同驱动频率、不同负载、不同电压波形对运动方向及运动速度的影响. 最后利用不对称的驱动电压使三足爬行机器人实现了左转、右转以及不加导轨的近似直线运动, 实现了设计的3个方向的运动, 最后分析了该机器人的能耗问题. 该研究可为微型爬行机器人设计和实验提供参考依据.      

U型通道内部流动与换热的数值研究

应用数值方法研究了燃气轮机叶片内部U型通道内流动与顶部换热特性.采用SST k-ω模型,分析了U型通道内光滑和带凹坑顶部结构以及不同Re数和旋转数对U型通道内部流动和顶部换热的影响。结果表明:在静止条件下,带凹坑结构的通道顶部Nu数较高,并且随着凹坑深度的增加,通道顶部换热能力增强;并且凹坑结构对通道压降的影响较小。随雷诺数增大,凹坑对通道顶部换热增强的幅度降低。在旋转状态下,随着旋转数的增加,通道顶部换热能力增强,但通道压降增大。     

微型燃料电池制备及其微通道摩擦性能的研究

阐述了微型燃料电池的制备过程,结合传统燃料电池数学理论和微流体力学,建立了微型质子交换膜燃料电池(μPEMFC)的数学模型,分析了微通道特性(如摩擦系数和水力直径等)对微型燃料电池性能的影响.结果表明:运用Fluent软件对模型进行计算的仿真结果与公开实验数据基本符合,验证了模型正确性;而传统模型的仿真结果小于真实值;当气道的水力直径Dh从348降至100时,电池性能有所上升;而当Dh值降至61.1时,其性能有所下降.     

基于微机械陀螺的MIMU关键技术

针对基于微机械陀螺的MIMU关键技术，对其进行研究和解决。参加美国JDAM性能指标和导航精度要求，计算陀螺性能参数：采用多级大容量的滤波器及有源电流限制电路，同时电源的输入端接入EMC滤波器，以提高电磁兼容性，并能抵抗浪涌和拉偏的能力；DSP实现信号实时采集，采用高次多项式拟合预处理去除数据野值；根据GJB729评估方法，利用利用蒙特卡罗方法仿真进行精度评估；最后按照GJB813进行可靠性分析。     

运动参数惯性测量模拟弹设计与实验

在研制弹射式发射架的过程中,为了确保在高速飞行器上发射导弹的安全,需要预先在实验室内对发射架的弹射运动参数进行测试研究。而弹射分离过程时间短(仅为30～40 ms)、测量参数多(共18个运动和姿态参数),如何对其参数进行测量就成为一个研究重点。设计完成的弹射实验用模拟导弹是一种专用测试设备,它完全模拟真实导弹的机械特性,内部设计装有微型惯性测量系统(MIMS),可以在弹射过程中完全自主地对所有运动参数和姿态变化进行惯性测量,实验表明测量精度达到3%以内。其中应用的MIMS是惯性测量技术在该领域的创新型应用,具有测量范围大(±500(°)/s)、动态性能好(最高可达4 kHz)、操作简便等优势。     

课外练习及参考答案

<正>~~     

基于微机电系统技术的高性能集成型微富集器（英文）

由于大部分环境样品的浓度非常低,为了实现其直接检测,提出将一种集成化的微型富集器应用到色谱系统中。富集器可实现色谱系统的进样与样品富集,能将色谱仪的检测限提高1~2个数量级。设计的富集器采用了高容量4平行通道结构,沟道内填充了高吸附率的Tenax-TA吸附材料,来实现对环境样品中挥发性有机化合物组分的富集。此外,为了密闭热解吸过程中所释放的组分,在微型富集器后集成了微型阀。试验结果表明,研制的微型富集器取得了15倍以上的富集因子。而且,通过微阀的控制,色谱峰的拖尾和峰展宽得到了有效的控制。因此,该微型富集器可广泛应用到环境样品的快速检测中,提高各检测器对复杂环境的适应能力。     

柔性扑翼的气动特性研究

以往扑翼的气动力计算研究都很少考虑扑翼的柔性,而在鸟的扑翼动作中,在外加气动力和鸟自身的扑动力作用下,扑翼的柔性变形相当大。本文在原有匀速刚性模型的基础上,提出考虑了扑翼扑动速率变化和形状变化的扑翼分析模型,使之更接近鸟翼柔性扑动真实情况。通过计算分析气动特性发现,控制适当的话,柔性变形能大大改善扑翼的气动性能。本文通过模拟鸟扑翼的柔性运动,计算了时柔性扑翼气动力以及平均升力系数和平均推力系数随着扑动角、倾斜角等参数变化的情况,从而从气动的角度解释了为什么鸟在不同的飞行阶段扑翼规律各不相同,并为柔性扑翼飞行器的设计提供了理论依据。     

静电力平衡式微型硅加速度计方案分析

静电力平衡式微型硅加速度计是一种新型加速度计。本文对这种加速度计的３种典型方案进行了分析，导出静电力（力矩）、静电力平衡回路刚度（角刚度）及加速度测量范围的表达式。有关结果可为这种加速度计参数设计提供理论依据。