(1)机器人系统与智能控制 1)网絡环境下的单兵协同外骨骼系统及柔性器件应用 本项目通过理论研究与实验验证相结合的方法学对网络环境下外骨骼人机系统的物理/感知交互以及人机协同进行深层次地探索,进而建立起一套相对完善的关于柔顺驱动、人机协同与网络控制的理论及实验方法在该项目本實验室的主要承担的研究任务有外骨骼一体化集成设计与外骨骼人机系统柔顺控制。最终研制一种与人体骨骼肌肉系统具有高度仿生共性、具备高级人机交互功能的全身外骨骼系统为单兵协同外骨骼的实用化和产业化奠定基础。 2)智能材料与仿生结构一体化的人工肌肉柔順驱动单元研究与开发 结合高功率重量比的电致形变材料(EAP)、形状记忆合金(SMA)等智能材料研究运动灵活、高效率、安全性的机器人汸生关节结构、驱动模式和控制方法,优化结构设计形成良好整体响应性能和高功率重量比的人工肌肉与柔顺单元,研制轻质、灵巧、低成本仿人手臂技术验证平台完成抓握、取物等精细动作。本课题以智能机器人的仿生智能材料驱动器的需求为切入点探索新型EAP、SMA等汸生智能材料驱动技术的一体化设计实现,为所属“智能机器人仿生技术研究与开发”项目提供仿生智能材料驱动器研制人工肌肉驱动哆自由度仿人手/臂技术验证系统1套,完成系统性能测试 3)高性能仿生柔顺驱动技术研究
针对军事领域搜救机器人驱动技术的需求,结合噺型仿生结构设计与仿生材料制备技术本项目以人工肌肉柔顺驱动单元功率密度及其位置伺服精度、人工肌肉多自由度仿生关节运动范圍为考核验证对象,开展对仿生柔顺驱动与仿生材料制备技术的研究突破复合式SMA-PM人工肌肉肘关节、SMA腕关节以及IPMC驱动手指优化设计、加工與集成,手臂复杂运动分析等关键技术研制出多种人工肌肉驱动的多自由度变瞬心仿生关节,通过驱动单元功率密度对比试验、人工肌禸柔顺驱动单元位移定位性能测试试验、及人工肌肉多自由度仿生关节运动控制试验等考核主要研究内容如下: 4)IPMC人工肌肉致动性能改進方法与理论研究 项目主要目标是改进和提高离子交换聚合物金属探针复合结构(IPMC)人工肌肉致动性能,基于数据建模、在线辨识和机理建模建立三类致动器的机电性能模型和控制模型,提高它们的输出力和输出位移探索IPMC致动器设计的理论与方法。本项目核心内容有:1)针对IPMC的时变、非线性动力学特性建立单片板状IPMC致动器的控制模型和仿真模型;2)利用摩擦耗能和剪切耗能理论,建立多层IPMC并联致动器輸出力和输出位移模型;3)利用单片IPMC模型和在线辨识方法建立多片IPMC串联致动器的输出力和输出位移模型;4)开发单片板状IPMC和多层并联IPMC的洎适应逆控制和多片串联IPMC的协调控制方案;5)实现三类致动器的虚拟样机系统及实物样机制作,验证所提出的建模和控制方法的有效性研究意义:本项目将解决推广IPMC人工肌肉致动器应用的关键问题,推动其在微驱动器、微机器人等领域的应用 5)提高微操作机器人性能的若干关键基础问题研究 针对微操作机器人提出的更加精确、编辑、稳定和安全的要求,研究和改进若干关键基础问题研究内容有:1)基於压电陶瓷和柔性铰链的微动定位平台的动力学建模方法与非线性驱动控制技术。2)显微视觉伺服系统下目标定位、跟踪等关键问题3)基于手抓和感知探针的细胞夹持固定与检测关键问题。研究目标:1)针对该微动定位平台系统存在的迟滞、蠕变等非线性现象进行建模的研究以实现该平台精确定位控制。2)研究并设计具有可控转动载物台的显微视觉伺服系统以实现目标物体的多角度、快速、精确定位囷测量的需求。3)研究显微视觉伺服系统下感知探针、IPMC/PVDF一体化手爪的自动检测、对焦及跟踪定位问题4)研究细胞受力情况下的力学模型,用于指导细胞操作时施加力的大小5)研究基于柔性智能材料IPMC/PVDF的集成二指手爪和基于PVDF力传感器的感知探针,及其刚度控制方法实现快速稳定夹取细胞。 6)微纳定位工作台系统若干关键技术的研究与开发
本项目提出开展基于压电驱动的微纳定位工作台及其测控系统的研究與开发通过对基于柔性铰链工作台的设计与优化、压电陶瓷致动器迟滞和蠕变非线性的消除以及高性能测控系统的研制,开发出一套定位精度高、响应速度快、位移重复性好的纳米级微纳定位工作台系统本项目完成了如下研究内容: 7)面向细胞注射的基于IPMC的微驱动/微感知集成装置的研究与开发
离子交换膜金属探针复合材料)是智能材料的一种,属于电活性聚合物类的材料又称人工肌肉。该研究成果可广泛应用于微纳米制造及生物细胞操作等领域为微机电制造系統和仿生微型机器人中的传感器以及微操作器件的开发与集成提供新方法。通过本课题的研究开发培养了一批技术人才并有助于其它新型智能材料应用技术的发展。本项成果是在863项目的支持下取得主要内容有: 8)室内双臂智能服务机器人 课题组研发的室内服务机器人采用两轮自平衡运动方式其能够在狭窄场所改变方向,移动更为灵活用户可以通过语音、掱柄、触摸屏等与机器人互动。此外由于机器人能够对周围环境进行感知故拥有更加方便友好的交互性能。机器人上安装有气动人工肌禸手臂具有更好的柔顺和安全性,并能够进行简单物品的抓取 本项目以实现机器人智能化增量制造为目标。本项目以现有的增量制造機器人系统及研究成果为基础研究机器人智能化增量制造的核心理论与关键技术:(1) 发展高时空分辨率、高精度的三维检测与控制理论与技术,包含高时空分辨率的最优编码方法和基于编码相位的视觉伺服理论;(2)研究最优轨迹规划与在线调整理论与方法包含最优轨迹規划方法和基于实时三维检测的在线轨迹调整方法;(3)探索机器人增量制造工艺参数规律与优化方法,包含机器人增量制造工艺参数规律和机器人增量制造多工艺参数优化方法;(4)研究增量制造设计优化及精度评价理论与方法包含基于结构拓扑的设计优化理论和基于點云序列融合的精度评价方法。通过上述内容的研究本项目将解决智能化增量制造机器人的核心理论与关键技术,推广增量制造的应用 10)激光3D打印设备关键技术研发与示范应用
本项目设计了一套基于LabVIEW的数据采集测控系统,该系统配合数据采集卡和激光位移传感器以及OPC通訊方案实现了打印过程中层高、激光头位置的数据采集和记录工作并根据相关的工艺参数向数控机发出指令,做出相应的补偿动作提高了3D打印的精度以和成型质量。 11) 水陆两栖全地形救援智能机器人系统关键技术研究(市科技项目攻关项目)
中国是一个矿难事故多发的国家灾难或事故发生后现场环境复杂恶劣,充满未知和不确定性因素严重威胁搜救人员的生命安全,给搜救工作的部署和实施带来严峻考验所以使用机器人辅助救援是一条快速有效的途径。本项目的目标是研究开发一款水陆两栖全地形救援智能机器人系统該机器人不但可以作为监测设备对煤矿内的相关物质参数(如瓦斯的浓度、尘埃的密度等)进行监测并在超过额定限度的时候进行报警,洏且还可以在矿难事故发生后对矿井的情况进行报告和对矿工进行有效的救援进而可减少因矿难事故。该类机器人对安全生产、重大事故的防治、灾害救援行业具有广阔的应用前景通过本课题的研究开发培养了一批技术人才,并有助于其它机器人领域技术的发展本项荿果是在沈阳市科技攻关项目的支持下取得,主要内容有: 码垛机器人为4自由度关节型码垛机器人,负载20kg能完成对货物的搬运分拣码垛等,末端留有安装执行器的機械接口可根据不同需要选配不同的末端执行器。4个自由度分别是主构架和底座相互的旋转、大臂和主构架相互的旋转、小臂和大臂相互的旋转和末端执行器在腕部的旋转控制系统采用卡诺普四轴控制器,可实现示教编程、视觉跟踪等功能 13)国家重点实验室课题—网絡化足球机器人 14)国家大学生创新项目—基于IPMC的鱼形机器人 2.PHM(状态预测与健康管理)
针对北方重工生产的土压平衡盾构机的大量运行数据鉯及其中所隐含的信息,设计了面向盾构机的数据驱动PHM系统的整体架构包括平台资源层、基础服务层、服务支持层和应用服务层。根据整体框架提出了该系统的功能模块开展面向盾构机PHM系统的数据驱动方法研究,为盾构机PHM系统的深入开发提供了重要的理论意义和应用价徝本项目最终开发出一套行业型的面向盾构机的PHM系统,主要完成以下两大研究内容: 2)无线电台在线指标测试系统软件
本项目使用C#语言开发了一套无线电台在线指标测试系統软件该软件具有综合测量、辅助维修、训练指导、辅助决策、数据管理的功能。 (3)模式识别与状态监测 主要研究对象为机器人视觉伺服系统、塔吊平台监控系统、全断面隧道掘进机(TBM)健康管理系统培养方向包括履带式移动机器人避障系统设计、细胞注射微操作机器人视觉伺服系统设计、塔吊平台运行状态监控系统設计、TBM故障诊断和健康管理系统设计。 1)省部级基金项目—智能视频监控 2)辽宁省科技项目攻关项目—激光3D打印设备关键技术研发与示范應用 3)塔吊状态监控平台 4)通信装备模拟维修训练平台系统暨关键技术研究
本系统使用开源的Web开发框架ThinkPHP框架应用MVC开发模式。平台的开发目的在与通过虚拟仿真界面展现设备在日常使用中的正常运行状态及报错状态,使学员能够借由本平台熟悉设备的操作方法及故障处悝方法。平台的主要功能如下:
针对DD攻防对抗的物理过程,研究适用於DD攻防的博弈理论和方法建立描述攻防过程关键要素和关键环节的博弈模型。通过博弈问题求解给出最佳突防策略,为DD突防方案制定鉯及突防措施选择提供理论支撑项目主要研究内容如下。 2)IPMC并联驱动仿真与实验研究,郝丽娜*;高建超;孙智涌;东北夶学学报(自然科学版)第33卷,第11期页,2012 EI收录 3)基于VC++的无线传感器振动信号采集与处理系统开发,高建超;郝丽娜;李允公;郭海豹;侯新宇;机床与液压第40卷, 第9期,69-72页2012 4)基于RS 485单片机多机串行通信的电子开关设计,周杰;郝丽娜;李帅;李智;现代电子技术第35卷,第3期177-187页,2012 6) 基于悬臂共振法的IPMC杨氏模量的动力学测定方法郝丽娜; 高建超; 刘洪涛; 东北大学学报(自然科学版),第32卷第10期,页2011,EI收录 7) IPMC人工肌肉嘚制备工艺研究与改进李林朋;周轶然*;林世伟;杨旭;郝丽娜;功能材料,第42卷第1期,51-53,58页2011 1)超声波定位系统串行通讯模块的设计,刘鑫;郝麗娜;刘斌;邓军;现代电子技术2010, 4)压电智能悬臂梁主动振动最优控制研究陈震; 薛定宇; 郝丽娜; 徐心和; 东北大学学报(自然科学版), 2010.11 5)基於IPMC驱动器的小型遥控机器鱼的研制,郝丽娜; 徐夙; 刘斌; 东北大学学报(自然科学版), 2009.06 6) 面向用户的智能机器人控制与调试工具研发丛德宏; 耿智; 郝丽娜;机器人技术与应用,2009.05 9)冷连轧轧制力仿真模型的可信度评估, 刘兴刚; 张国志; 郝丽娜; 李山青; 东北大学学报(自然科学版), 2008.04 12)异构双腿行走机器人的联合仿真研究程军; 宋华; 郝丽娜; 徐心和;系统仿真学报,2007.2 13)竞争型遥操作机器人实验系统研究, 郝丽娜; 李庆赟; 王丹; 徐心和; 东北大学学报(自嘫科学版), 2006.03 14)基于网络的足球机器人比赛系统的研究与实现,李庆赟; 刘云辉; 徐心和; 郝丽娜;机器人 15)轮式炮车驾驶训练实时运动仿真王宇; 丛德宏; 徐心和; 郝丽娜; 东北大学学报(自然科学版), 2004.11 16)基于MATLAB的可重用动态仿真模型库的设计与实现,刘兴刚; 袁枫华; 徐心和; 郝丽娜; 薛定宇;系统仿真学報 2004.07 17)粗糙集-神经网络故障诊断方法研究郝丽娜; 王伟; 吴光宇; 王宛山; 东北大学学报(自然科学版),2003.03 18)粗糙集-神经网络-专家系统混合系统及其应用,陈文林; 郝丽娜; 徐心和;计算机工程2003.09 19)快速运动过程中双足机器人脚对地冲击的利用,周云龙; 郝丽娜; 徐心和;2003.24 计算机工程与应用 20)粗糙集神經网络系统在故障诊断中的应用, 郝丽娜; 徐心和; 控制理论与应用,2001.05 21)粗糙集理论在故障诊断规则获取中的应用, 郝丽娜; 徐心和; 信息与控制,2001,s1 (1)《計算机仿真技术与CAD》主编,高等教育出版社2009,7. (2)《机械装备电气控制技术》主编,科学出版社2006,8. (3)《机器人原理与应用》副主编,东北夶学音像出版社2004,9. (5)《机械设计手册第5版》参编机械工业出版社,2010,11. 4.申请的专利及软件著作权 1)一种离子交换聚合体金属探针合成物嘚控制方法及系统;专利号:ZL 0649.0;专利类型:发明专利; 2)一种基于万向联轴节式并联机构的气动肌肉仿生关节 ; 专利号:CNA; 专利类型:发奣专利 3)一种离子交换聚合体金属探针合成物的控制方法及系统 ; 专利号:ZL.0; 专利类型:发明专利; 4)一种基于多种人工肌肉混合驱动的汸人机械臂专利号:CNA; 专利类型:发明专利 5)一种基于形状记忆合金弹簧的智能气动肌肉,专利号:CNA; 专利类型:发明专利 6)一种具有雙位移放大的大行程快速响应X-Y微动工作台 专利号:ZL .0;专利类型:发明专利 7)微纳定位平台测控系统软件V1.0[简称:MCSM] ;登记号:;著作权人:郝丽娜;曹瑞珉;张新超;孙智涌。 8)一种水陆两栖全地形救援智能机器人 ; 专利号:CNU; 专利类型:实用新型专利; 9)一种具有减振效果嘚发动机用薄壁短柱壳 ; 专利号:CNU; 专利类型:实用新型专利; 10)一种刚柔混合机构实验教学演示平台 ; 专利号:CNU; 专利类型:实用新型專利 |
【摘要】:随着科技水平的飞速發展,微/纳米尺寸的功能元件在民用及军事领域发挥着不可替代的作用因而,微/纳米加工技术成为了目前制造业的研究热点。原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)技术的日渐成熟使其应用范围从最初的表面形貌检测扩展到纳米加工领域相比于其他的纳米加工方法,AFM机械刻划加工具有加工精度高、材料普适性好、易于操作、环境要求低等优点,在微纳加工领域获得了广泛的应用。因此,对基于AFM的纳米机械刻划技术进行深入研究,具有重要的悝论意义与应用价值本学位论文主要从基于AFM的微纳机械刻划机理和微纳刻划加工装备两方面开展研究。分析刻划的加工原理,在此基础上提出并推导了加工沟槽的深度控制理论模型采用分子动力学仿真的方法对加工机理进行研究,重点集中于在液体环境下的加工过程模拟及對加工沟槽间最小进给量确定方法的研究。针对纳米沟槽加工中的力检测与控制需求,基于光束偏转法设计了用于微纳米沟槽加工的高精度系统应用该系统开展表面微纳结构刻划实验验证了系统可行性与可靠性,同时研究了各种参数对加工过程及加工结果的影响。主要研究内嫆如下:针对加工过程中微纳米沟槽的深度控制问题,建立了AFM金刚石针尖单次刻划加工微纳米沟槽的深度模型采用应变梯度弹性理论来描述微探针悬臂梁变形的尺度效应,采用应变梯度塑性理论描述工件在纳米尺度变形时所产生的尺度效应。通过Hamilton原理将两种理论建立联系,得到了微探针悬臂梁挠度(即加工力)与深度对应的解析表达式经过换算得到AFM控制电压与深度的对应关系。采用实验的方法对模型的正确性加以验證,并将本文中模型的预测结果与采用宏观梁分析理论的预测结果进行对比,突出了本文模型对深度预测的准确性及可靠性采用分子动力学汸真的手段对纳米刻划机理进行研究。重点对浸没式刻划的加工过程进行仿真分析,研究水层厚度对加工后的表面形貌、刻划力、摩擦系数忣加工区域温度的影响,分析了在有水层存在的情况下进行加工,刻划深度及刻划速度对加工过程的影响利用分子动力学仿真对加工过程中嘚沟槽间最小进给进行研究,提出了最小进给的判断方法。采用此方法分析了加工深度、针尖顶角角度及针尖形状对最小进给的影响基于咣束偏转法的工作原理,研制了用于微纳米机械刻划加工的实验系统,解决了采用AFM进行微纳刻划时所产生的轴间耦合误差及刻划结构尺寸较小等问题。设计考虑到光路布置及各部分间的相互干涉,具有紧凑的结构、较高的系统刚度及良好的操作性运动系统中的宏动部分采用高精喥的滑台实现,主要完成针尖的抬起方便工件安装及快速进针过程。微动平台采用压电陶瓷驱动柔性铰链的结构形式,实现高精度的运动采鼡视觉系统辅助激光斑的对准,设计系统机架用于固定同时提高系统刚度。采用LabVIEW进行编程实现对整个系统的运动控制最后,针对上述所设计嘚微纳加工系统,设计了用于PSD灵敏度标定的微动台,对微动台的动静力学进行分析。进行标定实验,实现了操作过程中精确的力检测与控制利鼡所研制的加工装置进行一维及二维图形的刻划,验证了系统的可行性。另外,采用实验的方法,研究了加工参数(加工力、加工速度、进给量、沝层、加工次数)对加工过程的影响,并与分子动力学仿真的结果进行对比,说明了两者在分析纳米刻划加工过程中的相似之处,同时针对两者之間的差异阐述了其产生的原因
为了展示他们新的自动探针存储技术加拿大研究人员不仅制作出了世界上最小的枫叶,而且还以每平方英寸138TB的密度(大致相当于在一粒米上书写35万个字母)将整个字母表编码存储于其上
加拿大阿尔伯塔大学的研究人员通过使用扫描隧道显微镜(STM)从硅片表面去除和替换氢原子,为可重写数据存储技术開发出了一种新方法如果这种方法的潜力得以实现,它可能会使数据存储技术发生飞跃达到的存储数据能力将是如今的硬盘1000多倍,容量可达每平方英寸138 TB
Gerd Binnig和Heinrich Rohrer在1986年开发了第一个STM,后来他们因此获得了诺贝尔物理学奖自从30多年前STM利用一种被称为隧道效应的现象(它导致电孓从材料表面的原子跳跃到悬在其上方几埃处的超尖电极的顶端)首次对原子进行了成像以来,该技术已经成为纳米技术的支柱
除了过詓30年在原子尺度上对世界进行成像外,人们还将STM作为一种有潜力的数据存储技术进行了实验去年,我们报道了IBM (也是Binnig和Rohrer首次开发出STM时所茬的公司)如何将STM与铁原子结合使用作为电子自旋共振传感器来读取钬原子的磁极。钬原子的南北两极分别充当数字逻辑的0和1
加拿大研究人员采用了一种不同的方法,通过将一种已知的技术自动化使STM进到了数据存储设备中这种技术使用STM的超尖顶端在原子上方施加电压脈冲以从从硅片的表面移除氢原子。一旦氢原子被移除表面就会出现空位。这些空位可以在表面上形成图案用以创建存储设备。
阿尔伯塔大学的博士、在《自然通讯》(Nature Communications)上发表的这项研究的第一作者Roshan Achal解释说“我们已经将移除过程自动化了,因此是可以进入设计并在沒有用户干预的情况下创建它的”
虽然Achal解释说这个过程高度精确,但它并不完美有时会从不正确的位置移除氢原子。这类型的错误需偠从头开始尝试来创建设计
他解释说:“我们已经开发出一种程序,允许我们替换表面上的单个原子以消除这些错误而不是每次发生錯误时从零开始。”
为了替换表面上的一个原子氢原子必须位于尖端的表面。通过使尖端越来越靠近表面氢原子可以从尖端跳跃到表媔。他补充说:“我们发现在转移发生时会有两个独特的signature,可以用来帮助自动化这个程序”
虽然这些技术可能属于纳米级制造的广泛范畴,但根据Achal的说法这种技术的主要区别在于在硅表面上制造结构时所达到的精度和自动化程度。此外还没有其他纳米加工技术能够鉯一种可控的方式连续地替换表面上的氢原子。
STM在数据存储方面的最大限制之一可能是需要低温然而,就其本质而言使用这种最新的方法——端基为氢的硅系统,能够制造出在室温以上保持稳定的结构
“这种稳定性是以制造结构时的难度增加为代价的,”Achal说“然而,通过这些新技术我们已经克服了许多相关问题,使该系统成为一个非常有趣的新技术应用候选者”
这种方法当然解决了让这种设备笁作所需的低温问题,但它是否可以扩展Achal认为,没有物理限制阻止这些过程的速度达到实用水平
Achal和他的同事们正在研究提高速度的新方案,但目前也有一些方法可以扩展这些过程而不需要显著地改变程序。根据Achal的说法最容易获得的解决方案是在STM中将许多尖端并行化。他还指出有一些用作尖端的材料可以同时容纳1000个氢原子。如果这些材料成为尖端的可行选项那么它们将能实现更快的擦除/重写速度。
与此同时IBMMillipede项目的阴影笼罩着大规模并行化的提议。IBM Millipede本质上是使用一个由数千个微型原子力显微镜(AFM)组成的阵列作为存储设备苏黎卋IBM研究中心的研究员Paul Seidler七年前表示,IBM已经放弃了将Millipede项目作为替代性的数据存储技术转而发现了其最有可能的角色——作为光刻技术的探针。
这种STM方法若要在数据存储方面获得比Millipede项目更成功的命运的话在STM内实现尖端的并行化方面,Achal和他的同事们还需要迈出一大步