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骨骼肌收缩的生物电化学变频调控原理——基于分子马达运行机制的骨骼肌生物力学原理(Ⅱ)

中国科学：技术科学 2012年第8期42卷 901-910页

作者：殷跃红陈幸上海交通大学机器人研究所机械系统与振动国家重点实验室上海200240

以骨骼肌肌纤维中的肌小节为对象,建立了肌膜动作电位活动与由动作电位引发的肌小节内Ca2+浓度变化的生物电化学模型,并给出了相应的数学描述;以此模型为基础,从控制学角度阐明了由分子马达集体运作产生的肌纤维稳态收缩功率的调控方式... 详细信息

以骨骼肌肌纤维中的肌小节为对象,建立了肌膜动作电位活动与由动作电位引发的肌小节内Ca2+浓度变化的生物电化学模型,并给出了相应的数学描述;以此模型为基础,从控制学角度阐明了由分子马达集体运作产生的肌纤维稳态收缩功率的调控方式,即作为控制信号的动作电位如何调控作为驱动信号的Ca2+浓度,及其间接调控肌纤维等长收缩力的原理与相关特性,并设计实验对收缩力与动作电位激励频率之间的关系进行了验证;相应地,本文进一步阐述了动作电位对肌纤维的动态收缩功率的调控方式是变频控制,并导出了从动作电位频率变化到肌小节内Ca2+浓度变化的传递函数,分析了肌纤维收缩的频域特性.另一方面,由理论分析的结果出发,提出了表征从控制信号触发到肌纤维开始收缩的最小滞后时间——"肌电时间常数"的概念,最后讨论了肌纤维收缩的变频控制方式的物理内涵及其合理性.

关键词：分子马达肌纤维动作电位 Ca2+浓度调控原理

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分子马达集体运行机制及肌小节动态力学模型

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中国科学：技术科学 2011年第8期41卷 1533-1540页

作者：殷跃红郭朝上海交通大学机器人研究所机械系统与振动国家重点实验室上海200240

分子马达的集体协作运行机制尚未有效揭示清楚,本文以骨骼肌中的肌小节为研究对象,利用非平衡态统计力学方法分析肌球蛋白分子马达的集体运行特性,构建肌小节系统的动力学方程和概率密度函数的Fokker-Planck方程,推导出肌小节主动收缩... 详细信息

分子马达的集体协作运行机制尚未有效揭示清楚,本文以骨骼肌中的肌小节为研究对象,利用非平衡态统计力学方法分析肌球蛋白分子马达的集体运行特性,构建肌小节系统的动力学方程和概率密度函数的Fokker-Planck方程,推导出肌小节主动收缩力学模型.根据分子马达的实际状态对模型进行化简,利用状态跃迁速率计算分子马达位移变量的概率密度分布,重点讨论了[ATP]和负载力对概率密度、主动收缩力以及收缩速度的影响,分析可知随着[ATP]的增大,收缩力和收缩速度也逐渐增大,在[ATP]饱和后,肌小节的收缩力和收缩速度保持不变;收缩速度随着负载力的增大逐渐减小到零;收缩力与肌小节的长度关系和粗细肌丝的有效作用长度有关,随着有效长度减小而减小.以上分析与Hill描述的肌肉宏观特性比较吻合,验证了模型的有效性.

关键词：分子马达肌动蛋白肌小节集体特性肌肉力学模型

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光学大镜复杂曲面的少轴磨削几何学原理

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中国科学：技术科学 2013年第7期43卷 901-911页

作者：姜振华殷跃红上海交通大学机器人研究所机械系统与振动国家重点实验室上海200240

超精密磨削是加工复杂光学大镜的重要手段.复杂光学镜面的超精密磨削传统上采用五轴磨床,难以保证磨床很高的刚度和精度要求.少轴磨削方法减少了磨床轴数,提高了磨削系统的刚性,可以最大程度地减小机床磨削硬脆材料时的变形.但是少轴磨... 详细信息

超精密磨削是加工复杂光学大镜的重要手段.复杂光学镜面的超精密磨削传统上采用五轴磨床,难以保证磨床很高的刚度和精度要求.少轴磨削方法减少了磨床轴数,提高了磨削系统的刚性,可以最大程度地减小机床磨削硬脆材料时的变形.但是少轴磨削时砂轮表面的磨削作用点不确定、且随工件表面曲率变化的特点增加了其几何学上的复杂性,并且对砂轮工作表面形状几何精度提出了更高的要求.本文针对少轴磨削时砂轮磨削点不确定的特点,对砂轮几何形状进行了参数化表征,从几何学的角度揭示了少轴磨削与五轴磨削之间的关联关系,建立了少轴磨削虚拟轴等效原理模型;提出了基于光学镜面几何性质、磨床特性、工艺要求的弧面砂轮几何参数与轴倾角的定量确定方法;基于曲面一点处Gauss曲率的性质,获得了三移动轴磨削方式下弧面砂轮磨损规律以及因磨损导致的镜面面形误差分布.最后通过仿真验证了以上原理与方法的正确性.

关键词：几何学少轴磨削砂轮磨损复杂曲面光学大镜

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一种改进的KinectFusion三维重构算法

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机器人 2014年第2期36卷 129-136页

作者：朱笑笑曹其新杨扬陈培华上海交通大学机器人研究所机械系统与振动国家重点实验室上海200240

对KinectFusion算法进行了两个方面的改进,一方面提出使用环境中的边线特征点匹配来提高其定位鲁棒性,另一方面在点云模型中预设一个地面点云来降低累积误差提高精度.在一个RGB-D(颜色-深度)SLAM验证数据集以及一个实验室的场景数据上... 详细信息

对KinectFusion算法进行了两个方面的改进,一方面提出使用环境中的边线特征点匹配来提高其定位鲁棒性,另一方面在点云模型中预设一个地面点云来降低累积误差提高精度.在一个RGB-D(颜色-深度)SLAM验证数据集以及一个实验室的场景数据上进行了建模对比实验,结果显示,改进后的算法在鲁棒性和精度上均有明显提高,在建立一个尺度为6m×3m×3m的环境时建模误差由4.5%降低为1.5%.虽然算法运行的效率有所下降但仍保持较高实时性,对建模时的用户体验没有明显影响.

关键词： KinectFusion算法同时定位与地图创建 Kinect传感器密集重建

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基于sEMG振子模型的骨骼肌等长收缩力与固有特性的能量核表征方法

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科学通报 2014年第14期59卷 561-571页

作者：陈幸殷跃红范渊杰上海交通大学机器人研究所机械系统与振动国家重点实验室上海200240

提出了一种肌肉等长收缩力估计与肌肉固有特性表征的新方法,称为能量核方法.此方法的初衷在于将表贴EMG(肌电图)信号转变为平面内的相图,并将相图上状态点的分布核心称作能量核,而噪声信号的分布核心称为噪声核.基于相图的统计特征,将一... 详细信息

提出了一种肌肉等长收缩力估计与肌肉固有特性表征的新方法,称为能量核方法.此方法的初衷在于将表贴EMG(肌电图)信号转变为平面内的相图,并将相图上状态点的分布核心称作能量核,而噪声信号的分布核心称为噪声核.基于相图的统计特征,将一段EMG信号近似为简谐振子,简称EMG振子.本文建立了控制信号(EMG)与输出信号(力/功率)之间的关系,并提出用EMG的特征能量来表征肌肉力.另一方面,通过对能量核与噪声核的计算,能够得到噪声与EMG信号的自然频率并实现直观的信噪识别与分离.实验结果表明,特征能量对等长收缩力的表征度令人满意,并且由于结合了RMS与MPF两种方法的优点,此方法具有很高的鲁棒性;而特定肌肉的EMG自然频率不取决于MU放电频率,故其反映了肌肉的固有特性.此模型体现的物理意义为EMG信号的理解与分析提供了新的启发.

关键词：表贴EMG信号 EMG振子能量核等长收缩力自然频率

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内外轴式磁性联轴器的优化设计

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光学精密工程 2008年第11期16卷 2244-2251页

作者：王禹林刘品宽丁汉上海交通大学机器人研究所机械系统与振动国家重点实验室上海200240

对磁性联轴器的国内外研究现状做了评述,建立了实用的优化设计评判指标和数学模型。改进了等效磁荷法,从求解效率和求解精度两方面将其与改进前的等效磁荷法、片电流方法和三维有限元法进行了比较。将正交实验法引入优化过程中,提出了... 详细信息

对磁性联轴器的国内外研究现状做了评述,建立了实用的优化设计评判指标和数学模型。改进了等效磁荷法,从求解效率和求解精度两方面将其与改进前的等效磁荷法、片电流方法和三维有限元法进行了比较。将正交实验法引入优化过程中,提出了一种实用的磁性联轴器优化设计方案。求解结果表明:等效磁荷法的求解时间和精度较不稳定,改进的等效磁荷法的求解精度比原方法提高了约5%,求解效率提高了约55%。片电流法求解效率极高,但精度较低。三维有限元的求解精度较稳定,误差约为5%,但求解效率较低,求解每组模型需花费约9 min的时间。通过正交实验法,仅需使用9组分析模型即可获得适合的初始参数值,结合标准的最优值搜索技术可方便获得多组最优参数设计值。该方案可满足磁性联轴器优化设计的稳定可靠、精度高、方便实用等要求。

关键词：磁性联轴器等效磁荷法片电流方法有限元法正交试验法

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变压强研磨数学力学原理与去除效率分析

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科学通报 2016年第8期61卷 862-871页

作者：徐勇殷跃红上海交通大学机器人研究所上海200240 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海200240

提出了大型光学镜面变压强的高效研磨方法.传统研磨中普遍采用常压研磨的方式,很大程度上阻碍了去除率与收敛率的进一步提高.大量实验表明去除效率与压强之间并非线性关系,本文从研磨盘、磨粒与工件的几何学关系推导变压强条件下有效磨... 详细信息

提出了大型光学镜面变压强的高效研磨方法.传统研磨中普遍采用常压研磨的方式,很大程度上阻碍了去除率与收敛率的进一步提高.大量实验表明去除效率与压强之间并非线性关系,本文从研磨盘、磨粒与工件的几何学关系推导变压强条件下有效磨粒的分布规律,进而建立压强、磨粒运动形式与材料去除方式的映射关系,研究变压强条件下材料去除机理以及磨粒运行轨迹的微分几何描述,进而推导变压强条件下的非线性去除函数;通过音圈电机驱动的变压强研磨工具,利用机器人研磨平台实现了大型光学镜面的变压强高效研磨.

关键词：变压强高效研磨复杂光学大镜

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微铣削中考虑刀具跳动的瞬时切厚解析计算方法

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机械工程学报 2016年第3期52卷 169-178页

作者：聂强黄凯毕庆贞朱利民上海交通大学机器人研究所上海200240 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海200240

通过研究刀具实际切削过程中的余摆线轨迹及其影响,提出一种新的瞬时切厚解析计算方法,并针对两齿、四齿的情况给出瞬时切厚的具体计算公式。在两齿和四齿铣槽工况下,分析刀具跳动量和跳动角度对各齿切削过程的影响。该方法考虑刀具的... 详细信息

通过研究刀具实际切削过程中的余摆线轨迹及其影响,提出一种新的瞬时切厚解析计算方法,并针对两齿、四齿的情况给出瞬时切厚的具体计算公式。在两齿和四齿铣槽工况下,分析刀具跳动量和跳动角度对各齿切削过程的影响。该方法考虑刀具的综合径向跳动(包括主轴跳动,刀具制造安装误差等综合形成的径向跳动值),适用于微铣削中任意齿数刀具瞬时切厚的计算。通过与宏观铣削中的传统切厚计算公式、BAO模型和Newton-Raphson等数值法对比,量化指出了微细铣削加工与传统宏观铣削加工的一些不同,同时验证了提出的方法具有计算简洁、精度高和通用性强的优势。基于该模型进行了微铣削铣槽试验中切削力的预测,预测结果和试验结果相符良好,验证了模型的正确性和实用意义。

关键词：微铣削加工机理刀具跳动刀具轨迹瞬时切厚

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超精密光学磨床减小热误差的结构优化

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机械工程学报 2015年第1期51卷 167-175页

作者：焦瑶孙立剑洪海波殷跃红上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海200240 上海交通大学机器人研究所上海200240

热变形是影响超精密机床精度的关键因素之一,而热导率是分析机床热变形准确度的决定性因素。为了保证机床温度场分布分析的准确性,提高机床的精度,提出一种基于热力学理论的热导率分析模型以及结合有限元分析的机床结构优化方法。建立... 详细信息

热变形是影响超精密机床精度的关键因素之一,而热导率是分析机床热变形准确度的决定性因素。为了保证机床温度场分布分析的准确性,提高机床的精度,提出一种基于热力学理论的热导率分析模型以及结合有限元分析的机床结构优化方法。建立自由电子气模型以及Debye模型,分别计算出自主设计的超精密光学磨床所采用的几种材料的热导率,提高热导率的准确性;进而利用有限元软件ANSYS分析机床主轴、溜板箱和床身的温度场分布;研究分析不同机床结构下主轴和机床整体的温升规律,提出基于热力学分析结果的一系列超精密光学磨床结构优化方法,针对误差敏感方向,采取对电动机与溜板箱的连接件以及电动机和主轴的接触件进行优化设计,减小热源与主轴、箱体之间的接触面积等方法,使机床热变形减小,提高了机床的精度。

关键词：热导率超精密光学磨床温度场分布结构优化

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多杆连续体机构:构型与应用

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机械工程学报 2018年第13期54卷 25-33页

作者：徐凯刘欢上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海交通大学机器人研究所上海交通大学密西根学院

在若干刚性杆件机器人作业困难的场合,柔性机器人可轻易完成操作,因而在近十余年成为研究热点。从柔性铰链机器人到连续体机器人再到柔体机器人,柔性机器人通过逐步引入更多的弹性元件及其变形模态而不断发展。柔性机器人中的连续体机... 详细信息

在若干刚性杆件机器人作业困难的场合,柔性机器人可轻易完成操作,因而在近十余年成为研究热点。从柔性铰链机器人到连续体机器人再到柔体机器人,柔性机器人通过逐步引入更多的弹性元件及其变形模态而不断发展。柔性机器人中的连续体机器人通常由连续体机构及其驱控、传感组件构成,其形状可描述为平面或空间曲线。介绍多杆连续体机构的多种构型及其应用。自其狭义构型到广义构型,再到广义构型的组合和连接,多种多杆连续体机构的新构型构成了手术机器人、深腔机械臂、康复外骨骼和欠驱动假肢手等新系统,并于其针对的应用场合展示出了优异的作用性能,体现了连续体机构广泛的应用前景。期望所述范例可启发连续体机构在手术治疗、康复服务和工业生产等领域更多的创新设计和应用,从而进一步拓展机器人机构学的研究范畴和理论体系。

关键词：连续体机构差分机构手术机器人深腔机械臂假肢手外骨骼

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