为了实现瓦斯钻机钻杆的自动更换,设计了一种以摆动油缸为主要驱动元件的换钻机械臂。通过改进D-H法建立机械臂的运动学模型,利用解析法求取正逆解;利用MATLAB求得机械臂的工作空间;通过五次多项式对机械臂的运动轨迹进行规划;运用ADAMS进行动力学仿真;以第一摆动缸作为被控对象设计位置闭环控制回路,增加压力补偿阀以减少摆动油缸的振动。结果表明,以摆动油缸为主要驱动装置的换钻机械臂结构设计合理;在回路中增加压力补偿阀可显著减少振动冲击和绝对误差。

装配式综合管廊的截面尺寸大、吨位重,且质心与形心不重合,管廊吊装时易出现偏载现象。为保证管廊节段吊装的安全性和稳定性,提高吊具液压缸组的同步控制精度,研究了相邻交叉耦合与改进PSO模糊PID相结合的同步控制策略。根据吊具结构及液压系统,搭建了阀控非对称缸数学模型。通过在线性递减权重中引入混动因子对粒子群算法进行改进,采用改进PSO对量化因子和比例因子进行更新迭代,实现了模糊PID参数的优化。对吊具4个液压缸进行同步控制仿真,并与试验数据对比。结果表明:相较于传统PID和模糊PID,在改进PSO模糊PID控制下,管廊吊具系统运行稳定,响应速度更快;工程试验的液压缸组最大同步误差为2.43 mm,吊装最大倾角为-0.51°,验证了同步控制策略的有效性。

以相贯焊形式的飞机燃油焊接管路为研究对象,首先,建立了燃油焊接管路各区域的可靠性数学模型,并根据各区域之间的串联关系,推导出管路单元的可靠性数学模型;然后,求解了介质压力和机体变形载荷下的管路单元可靠度;最后,采用有限元-响应面法对管路的几何尺寸和材料参数进行灵敏度分析。结果表明,分支管角度与焊接区域最大应力呈负相关关系,角度越小,应力越高,其主要归因于较小的分支管角度导致焊接区域的应力集中程度更高。此外,焊接管路的焊缝区最大应力主要受热影响区宽度和热影响区泊松比的影响。对提高燃油焊接管路系统的安全性和可靠性具有工程意义。

管道检测清管器广泛应用于油气管道内部检测。管道清管器的速度通常与管道中介质的速度相同。但近年来,由于长距离运输的需要,管道中介质的速度不断增加,管道内环境更加复杂,管道检测器在管道内的运动情况更加多变。因此,通过分析管道检测器在油气管道内的运动原理,建立了检测器在复杂管道下的运动模型;同时,基于数学模型,设计了一种双皮碗-三支撑轮式的管道检测器样机;结合仿真和实验,对管道检测器的运动情况展开模拟和研究。实验结果验证了所建立的检测器运动模型的准确性,为之后管道检测器的运动、姿态控制提供了理论研究基础。

研究基于气液并联驱动的上肢外骨骼系统,旨在实现人体上肢的康复运动。采用分数阶质量-流量方程代替传统的整数阶质量-流量方程,建立了气液上肢外骨骼系统的分数阶数学模型。为提高系统控制精度,设计了分数阶2DOF PID控制器。采用灰狼优化算法(GWO)解决控制系统多控制参数优化问题。为验证所提控制方法的有效性,通过搭建气液上肢外骨骼系统实验平台进行了实验研究。通过典型信号跟踪控制实验,验证分数阶PID控制器和GWO参数优化算法的有效性。实验对比表明,分数阶2DOF PID控制算法在超调量更小、精度更高方面优于整数阶PID控制算法。与粒子群优化(PSO)算法相比,采用GWO优化算法获得了更好的系统响应性能。

液压伺服滑阀易受油液中固体颗粒的冲蚀而发生性能退化。在工作边冲蚀微观形貌的测量与分析基础上,建立小开度阀口流域颗粒运动可视化模型,研究阀口颗粒运动轨迹,仿真分析工作边冲蚀率随液流方向的变化规律。结果表明:阀口冲蚀工作边上存在多处崩边性的微观缺口形貌,颗粒运动过程中与工作边的高速碰撞、刮擦等是阀口冲蚀的主要形式,迎流区的工作边冲蚀率均值和均方差比背流区分别高约1倍和0.8倍。

基于外科临床医生根据其穿刺经验总结提出的需求以及腰椎穿刺手术中体位固定方式的需要,设计了一种腰椎穿刺患者体位维持系统。该装置锁紧部分为一个气动闭环控制系统,STC89C52RC单片机为控制核心,基于XGZP6847A气体传感器连续动态监测气动回路中的压力,并通过电磁阀组和气泵对压力进行调整。与现有辅助固定装置比较,该装置在使用时调整方法简单,适用于不同阶段患者,且气动锁紧和放松过程响应速度快,能够减少腰椎穿刺患者因手术体位不当而引发的一系列术后并发症。

单体水压人工肌肉仅能提供收缩作用,基于水压人工肌肉驱动关节的工作原理,设计了仿生机器人单元模块,能实现伸缩和2个方向的偏转功能。利用水压人工肌肉的力位移特性,对弹簧进行选型计算。搭建了由四水压人工肌肉驱动的单元模块,并完成不同弹簧下的偏转试验,采集水压人工肌肉的收缩力、工作压力以及单元偏角,得到在空载条件下压力变化量与单元模块偏转角度之间的关系曲线。为进一步设计带载模块化仿生机器人奠定基础。

双叶片式伺服摆动缸是液压执行元件的一种,能将液压能转化成旋转的机械能。当其作为液压腿足式机器人的关节驱动元件时,具有结构紧凑、重量轻、直接输出关节转矩等优势。由于液压系统的非线性特性以及足式机器人自身易受冲击、对系统产生干扰等因素,传统的PID控制方法难以满足关节转矩的控制需求。利用自抗扰控制(ADRC)方法实现叶片摆动缸的转矩控制,利用扩张观测器来观测和补偿系统外部负载力的不确定性,有效地抑制了外部扰动对系统的影响。建立了伺服阀控制叶片式摆动缸的数学模型并设计了线性自抗扰控制器,在恒负载、变负载等多种工况下采用ADRC进行力矩闭环控制,并与PID控制方法进行比较。仿真表明,ADRC控制器可以有效抑制外部扰动,与PID控制器相比,在受到干扰后的平均误差缩小了30%以上。

针对传统开关阀响应慢、流量小的问题,提出一种压电材料驱动的气动高速开关阀。基于压电效应,结合锥阀阀芯结构,进行了压电阀开关阀的设计。采用有限元分析法,在Fluent中对阀进行了流场仿真,分析了该阀的结构合理性。利用AMESim对阀搭建模型并进行特性仿真。仿真结果表明,该阀的响应时间为0.4 ms,最大流量约为68 L/min,流量与占空比变化曲线线性度大于88%,提出的压电驱动高速开关阀可以满足数字式气动控制的发展需求。