一、串联式机械臂概括

1.应用领域总结分析

近年来，随着工业自动化水平的飞速发展，工业机器人在现代机械制造中发挥着越来越重要的作用，而串联机械臂作为工业制造领域的关键载体对航天、汽车等制造领域正起着越来越重要的作用，尤其在复杂和环境恶劣的作业条件下，更扮演着不可替代的角色。串联机械臂作为一种多学科高度综合的产品，集成了机械、计算机电子、自动控制理论等于一体，其技术水准直接反映了国家工业制造水平，目前广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、木材与家居制造业等领域，提高了各加工制造业的作业效率。比如焊接机器人在机械加工领域中代替传统的人工焊接，不仅提高了焊接效率和焊接精度，而且解决了工人在焊接恶劣条件的安全问题。

由于具有较高的灵活性和多自由度，串联机械臂在许多领域都有广泛应用：

（1）自动化生产线：串联机器人在汽车制造、电子产品组装、食品加工等自动化生产线上发挥重要作用。它们可以完成精细的装配、焊接、喷涂等工作，提高生产效率和产品质量。

（2）医疗和健康：串联机器人在手术、康复辅助和医疗器械制造等领域得到应用。它们可以进行精确的手术操作、康复训练和辅助活动，提高手术精度和患者疗效。

（3）仓储和物流：串联机器人在仓储和物流领域可以完成货物的搬运、分拣和装载等任务。

（4）精密加工：串联机器人在精密加工领域扮演着重要角色，如机械零件加工、精密雕刻和模具制造等。其高精度和灵活性使其能够进行微小尺寸和复杂形状的加工操作。

（5）实验室研究：串联机器人在科学研究和实验室应用中具有广泛的应用。例如，在化学实验、材料测试和生物医学研究中，串联机器人可以进行精确的液体分注、样品处理和实验操作。

（6）危险环境：串联机器人可以在危险环境中代替人工进行操作，如核能厂、爆炸物处理和深海勘探等。它们能够承担高温、高压、有毒或放射性环境下的任务，保护人类的安全。

（7）娱乐和艺术：串联机器人还在娱乐和艺术领域展现出其创造力和表演能力。例如，在舞台表演、电影特效和艺术创作中，串联机器人可以呈现出流畅的舞蹈动作、惊人的表演和艺术装置。

2.机械臂技术研发需求

随着中国工业机器人市场需求的不断增加，开发完全自主的工业机器人控制系统具有不可替代的意义。目前衡量工业机器人性能的重要标准是运行高速以及加工高精度，而这些也是市场非常看重的。其中工业机器人的运动精度和平稳性的基础和保障是平滑的位姿运动，同时速度规划算法的选择决定了机器人运动精度和平滑性，因此研究机器人的前瞻算法和轨迹规划控制算法对于提高机器人的控制精度和运行效率具有重要意义。

（1）机器人轨迹光顺技术

轨迹光顺是机器人轨迹规划中一个不可或缺的部分，通过各种曲线对运行路径进行近似，在满足轨迹弓高误差的情况下，生成新的运动轨迹，消除曲率和切向的不连续性，满足轨迹连续性要求，目前在三轴和五轴机床上应用非常广泛。

（2）机器人奇异位形规避技术

奇异位形是指机构在运动过程中机构的运动学、动力学性能发生瞬间突变，机构处于死点或者自由度减少，使得机构运动能力失常。串联机器人的运动奇异性由其串联机构所决定的，无法消除，产生的不良影响主要表现在两个方面：①自由度减少；②某些关节角速度趋向无穷大，引起机器人失控。

（3）机器人同步前瞻技术

速度前瞻是数控加工技术中的重要一环，基本思想是通过预读一段待运行路径，判断该路径上的高曲率约束点和危险点，提前进行速度规划，保证机床末端运行至危险点之前能够降速至合适速度，平稳过渡危险点后在加速至正常速度。

（4）机器人速度规划和插补技术

速度规划和插补是机器人运动控制中不可缺少的一部分，已知当前段始末点速度和位移，通过速度规划计算出当前段的运动时间，然后插补出每一循环周期的位移。常见的速度规划算法有直线加减速，也被称为梯形加减速，Ｓ曲线加减速，修正梯形加减速，指数型加减速，三角函数加减速等。

二、串联机械臂机构分析

1.机械臂结构分析

通过搭建组装机械臂平台，分析其基本结构与传动方式，并对部件具体尺寸进行测量，可以得到如下的机构简图，并建立对应的工具坐标：

摘要

本报告主要探讨了救灾机器人在人机交互和远程控制平台设计中的距离特性问题。通过Unity软件搭建模拟实验平台，并收集操作人员在操作机器人”抓取”持续运动的目标救助人员时的相关数据，基于Matlab软件进行数据分析，挖掘用户潜在的操作习惯与背后的操作逻辑规律。研究表明，在机器人与目标救援人员为相遇（拦截）关系的前提下，通过摄像头远程返回影像做出抓取判断时的决策距离与待救援人员运动的速度成正相关，而与机器人移动的速度成负相关。这些发现对未来进一步改进远程救援控制平台的设计及机器人相关物理参数的优化具有重要意义。

关键词: 救灾机器人、人机交互、距离特性、Unity、Matlab

Introduction

救灾机器人是在安全生产和防灾减灾救灾过程中，执行监测预警、搜索救援、通信指挥、后勤保障、生产作业等任务，能够实现半自主或全自主控制，部分替代或完全替代人类工作的智能机器系统的总称。救灾机器人具有感知、决策、执行等特征，可提升复杂危险场景中生产和救援的效率与安全性。地震、火灾、核泄漏等事故发生时，由于事故现场环境复杂、风险因素较多，同时可能伴有次生灾害，因此现在越来越多的事故现场救援初期采用救灾机器人进行现场救援。救灾机器人的发展与应用，代表了应急管理装备现代化发展趋势，是衡量我国应急管理体系与能力现代化的重要标志。

常见的火灾救灾机器人（如下图）主要由以下几个基本部分组成：

• 行走机构：用于在复杂的地表环境下行走。

• 影音采集机构（如摄像头等）：用于采集复杂环境下的环境信息。

• 机械臂：用于远程操控执行部分操作。

在救灾机器人的实际使用过程中，一般通过无线通信的方式将救灾现场的影音信息远程传送给操作人员，并由操作人员对于机器人进行一系列操作，包括控制机器人的行走路径、通过机器人的机械臂进行障碍物移除、爆炸物拆除等操作，这些操作也往往通过远程控制平台实现。因此，设计一个能与机器人自身操作特性（尺寸等参数）良好契合且操作效率与精准度较高、简洁易用的远程救援控制平台是提高救援成功率的关键。

在远程救援控制平台的设计过程中必不可少地需要关注到人机交互的相关问题。一个值得注意的问题是，操作人员对于救灾机器人的物理参数可能相对了解较少，特别是在只能借助于机载摄像头对周围环境进行观察的情况下，无法通过摄像头远程返回的画面精准判断机器人与目标救助人员（多为行动不便）之间的距离，从而可能会因为二者的交互失败导致目标救助人员无法通过搭乘救灾机器人实现逃生，使得救援成功率不理想，甚至可能会由于机械臂的误操作等对目标救助人员造成二次伤害，这是我们所不希望看到的。因此，希望通过收集操作人员（用户）在模拟实验平台中操作机器人”抓取”持续运动的目标救助人员时的相关数据，分析用户的操作习惯，从而更好地指导远程救援控制平台的设计以及机器人相关物理参数与摄像头摆放位置等的改进。

Literature Review

▼ 文献1[^1] : The different characteristics of human performance in selecting receding and approaching targets by rotating the head in a 3D virtual environment

综述: 初始距离、目标移动速度和目标容差对于操作的准确性影响较大。初始距离会影响抓取操作的时间特性，在远离运动中，需要以高于目标速度追击目标，而靠近运动中则需要拦截目标。目标移动速度增大会增加抓取难度，特别是在远离运动中，影响更为显著。目标容差主要影响调整阶段，影响抓取精度，但不影响加速和减速阶段。

▼ 文献2[^2]: Beyond Fitts’s Law: A Three-Phase Model Predicts Movement Time to Position an Object in an Immersive 3D Virtual Environment

综述: 理解距离特性对三维场景下的准确抓取来说至关重要。目标定位任务在三维虚拟环境中的特点明显不同于二维界面。例如，三维空间中的目标操作涉及大范围的手臂移动和虚拟手或射线投射技术。研究指出，人类的目标导向手臂运动包括快速的弹道阶段和慢速的修正阶段，这两个阶段在不同的因素影响下表现各异。此外，目标大小、运动幅度和目标容差是影响定位时间的主要因素，这些因素在三维环境中与传统的二维环境有所不同。

▼ 文献3[^3]: Capture of moving targets: amodification of Fitts’ Law

综述: 该文章主要描述了一个根据Jagacinski等人的实验数据开发的数学模型，用于描述移动目标的捕获时间。该模型在位置和速度控制系统下都经过了测试，并且与实验数据拟合良好。在移动目标下，该模型对Fitts定律的主要修改在于稳态位置误差，从而减小了有效目标宽度。在静止目标情况下，该模型退化为经典的Fitts定律。该模型预测了一个临界速度，超过这个速度目标将无法被捕获，这与Jagacinski等人的实验数据相符，可用于理解救灾机器人在不同速度下捕获目标的效率和限制。

▼ 文献4[^4] : 面向人机交互的机器人信息融合系统的研究与实现

综述: 本篇文章主要探讨了在人机交互中，利用多传感器信息融合技术提升机器人对人体目标跟随的效率和精度。作者提出了一个面向人机交互的机器人信息融合系统，包括人体感知、视觉跟踪和运动跟随模块。通过运用帧间差分法和骨架验证识别人体目标，利用小波变换融合深度图像和反向投影图提高视觉跟踪精度，并采用位姿信息融合方法实现运动跟随。这些技术和系统设计有助于提升机器人在火灾场景下抓取目标救助对象的距离检测的精准性。

▼ 文献5[^5] : 三维虚拟空间中物体移动操作的交互模型

综述: 这项研究通过三个实验系统探讨了影响3D空间物体移动效率的因素，并建立了相应的数学模型。研究发现，除了传统的移动距离和目标大小外，被移动物体的大小和所处深度也影响移动效率。实验结果表明，移动物体的大小影响移动过程中的加速阶段，而移动物体所处的深度则影响整体移动时间。通过以视角为单位的修正模型，研究者成功地拟合了实验数据，提高了移动操作效率的预测准确性。这一研究成果为虚拟3D空间中的人机交互设计提供了有益的参考，可为设计更有效的救灾机器人操作策略提供理论支持。

▼ 文献6[^6] : 虚拟运动目标人机交互方法设计与仿真

综述: 这项研究提出了一种基于多体感融合的虚拟运动目标人机交互方法，以解决当前虚拟手型逼真度偏低的问题。利用Kinect采集深度图像和彩色图像，结合颜色直方图匹配结果，实现了对虚拟运动目标的准确识别和跟踪。通过提取目标结构信息并融合全部体感特征，构建了笛卡尔空间映射关系，以实现人机交互。仿真结果显示，该方法不仅能够获取高逼真度的虚拟手型，还能够准确跟踪和识别目标，为解决商场火灾场景下救灾机器人抓取目标救助对象的距离特性提供了实用性解决方案，使虚拟实验平台上的交互操作在现实中成为可能。

▼ 文献7[^7] : 救灾机器人远程操作控制台设计

综述: 本篇文章强调了在各种灾难中，特别是火灾等复杂环境下，使用消防机器人进行救援的必要性，从消防救援的角度出发，针对地震、火灾、核泄漏等灾害提出了机器人功能需求，并结合人因工程学等相关学科知识，从宏观层面探讨了远程操作平台的构建方法，并给出了一些关键的参考数值，为实验平台的搭建提供了指导性的重要参考。

1 设计过程与方案概述

任务要求为设计一个斯特林发动机，大部分零件采用金属加工的方式，最后能够提供0.5w的功率输出。有以下方面的目标：设计一个能够满足做功要求的气缸，设计与之配套的连杆机构，设计动力输出装置。

针对以上要求，我们先采用β型发动机作为模板进行设计，先设计气缸，后进行相关的理论计算和仿真，最后根据计算和仿真结果对设计进行修改，对修改好的设计进行加工，经过实地组装测试之后再对出现的问题进行分析和修改，最后得到能够满足要求的发动机。

中途进行测试的时候发现β型气缸相对于α来说加工有一定难度，即满足公差设计的加工也可能由于做功活塞和配气活塞之间的差距导致漏气，使得整体运行时存在一定的气体溢出，并未能推动活塞做功。所以我们后续改用了β，α两种发动机并行设计的方式，先在α型上测试成功后，再利用吸取到的经验和设计方式来完成β的设计。

最终测试结果如下：β发动机不能够正常运行，但是气缸的密封基本完成，α型发动机能正常运转，且能够点亮一个额定功率为0.5w的电灯泡，经电表测试约为一个3.2V的电压源，但在实际测试时，没有能够达到0.5W的输出功率。

2 气缸设计与加工设计

2.1 气缸设计与做功计算

单独对气缸进行分析和设计时，采用的计算方式是先估算转速和单个做功冲程所能做的功，作为一个机械功的功率来源，要先保证功率来源大概约为0.5w的3到5倍，使得为后续机械装置带动发动机皮带留够足够的功率。

气缸的设计关键在于密封性，体现在加工方面就是公差的设计，如果产生的偏差导致气缸和活塞的成品配合不好，则在加热过程中气体就会溢出，使得整个气缸无法产生较大的温差，使得内外压强之间的差距很小，自然无法推动活塞对外做功。在进行气缸设计时，气缸的直径也是一个关键的指标，如果直径过大，加热时间过长，则无法充分受热，无法产生推力，当直径过小时，压强产生的推力会小很多，影响最终的输出功率，我们根据之前学长的发动机进行了简单的估算，直径在1cm-2cm为宜，而公差设计要求气缸为负公差-0.02mm,活塞为正公差+0.02mm，即使加工得没有特别准确，也可以保证通过简单的手动打磨和不断测试可以使得气缸和活塞刚好匹配。

由于高度对称的模型气缸设计，可以建立温度随模型位置的函数t(x)，以及空气密度随温度变化的函数ρ（t），则根据理想气体方程PV=nRT，进行变形，得到PV=ρSX/MRT,调整位置得到，PV=S/MR*(ρXT)，变为微分形式可得到，PSdx=S/MR*(ρ（x）T（x）dx)，变形得，FSdx=S/MR*(ρ（x）T（x）dx)即dw=S/MR*(ρ（x）T（x）dx)，由于该过程恒处于大气压下，将各物理常数，代入积分后可直接得到结果。

以下为matlab计算步骤：先根据图进行采样，计算并拟合出温度位置曲线T(x),再代入公式进行计算，β型的计算过程过程如下图：

则单次做功冲程能够对活塞做功1.07J，也就是说在转速约为5-8转每秒时，完全可以提供足够的功率带动后续的传动装置和发电机。

对于α的计算如下图：

{width=”5.759722222222222in”
height=”2.3715277777777777in”}

则单次做功冲程能够对活塞做功0.9152J，也就是说在转速约为8-12转每秒时，完全可以提供足够的功率带动后续的传动装置和发电机。

2.2 密封、公差、轴承、振动的设计

2.2.1 振动

在经过组装测试后，我们观察了其运动时的振动情况，并对振动来源进行分析，从而提出了一些减少振动的方案。

对于β型的振动分析：

{width=”2.42882217847769in”
height=”3.2392957130358706in”}

可以看到，主要振动的来源在于两连杆间半个周期收活塞的推力传导产生对于中轴形成的错位的力矩，此外，飞轮转动使得由角动量产生的对抗上述力矩的回正力矩（类似惯性力）。综合上述过程，整体振动的来源就是上述周期性力矩的合力矩，但由于存在相互抵消的部分，只要飞轮和连杆的设计配合比较好，就能减小振动的影响，即飞轮设计的大一些，连杆的宽度设计得小一些。

一、初始设计参数与热力学计算

对于我们设计的β型斯特林发动机，提出了如下的设计目标：

在我们初步设计的斯特林发动机（模型如下图所示）中，相关的尺寸参数如下：

将设计好的模型导入Ansys软件中进行静态热力学的仿真（如下图所示），可以得到气体温度的状态参数如下：

根据史密特理论的相关计算公式，可以编写相应程序，由以上参数为基础计算并绘制P-V图以及单次循环所作功，代码如下：

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afa=2*85*pi/360;
theta=0:0.01:pi*2;
tc=439;
te=611;
l1=0.021;
h1=l1*2;
l2=0.0225;
h2=l2*2;
r=0.01;
r0=0.008;
vse=r0*r0*pi*h1;
vsc=r*r*pi*h2;
ve=vse.*(1-cos(theta))./2;
vb=(vse+vsc)./2-sqrt((vse.*vse+vsc.*vsc)./4-vse.*vsc.*cos(afa)./2);
vc=vse.*(1+cos(theta))./2+vsc.*(1-cos(theta-afa))./2-vb;
vr=(r*r-r0*r0)*0.02*pi;
tao=tc/te;
k=vsc/te;
xb=vb/vse;
x=vr/vse;
fai=atan(k.*sin(afa)./(1-tao-k.*cos(afa)));
s=tao+4.*tao.*x./(1+tao)+k+1-2.*xb;
b=sqrt(tao.*tao+2.*k.*(tao-1).*cos(afa)+k.*k-2.*tao+1);
deta=b./s;
pmin=101300;
p=pmin.*(1+deta)./(1-deta.*cos(theta-fai));
plot(rad2deg(theta),p);
xlabel('角度θ（°）');
ylabel('压强P（Pa）');
title('α=85°时θ-P图线');
v=ve+vr+vc;
figure;
plot(rad2deg(theta),v);
xlabel('角度θ（°）');
ylabel('体积V（m^3）');
title('α=85°时θ-V图线');
figure;
plot(v,p);
xlabel('体积V（m^3）');
ylabel('压强P（Pa）');
title('α=85°时P-V图线');
w=10000000*pmin.*vse.*pi.*deta.*(1-tao).*sin(fai).*sqrt(1-deta)./((1+sqrt(1-deta.*deta)).*sqrt(1+deta));
disp(w);

通过运行上述代码，可绘制出如下热力学数据图线，并计算出单次循环做功为**0.0523J**。

因此，若要达到设计目标的0.5W功率要求，需要转速达到rmin=0.5*60/0.0523≈573.6rpm。

此外，以上设计参数所得到的P-V图线偏扁圆形，与常见的P-V图线形状有一定差异，这主要是与设定的初始相位角有关，若将相位角改为45°，则可以得出如下P-V图线，并可计算得出此时对应的单次循环做功为0.0608J，较先前有所提高；但在β型斯特林发动机中，相位角是由相关零件的设计直接确定的，故在后面的仿真中仍然保持相位角α=85°的设定。

二、Adams动力学仿真

在不考虑各类摩擦的情况下，对于基本的曲柄连杆传动机构来说，有如下基本公式：

根据此公式可得到如下代码，绘制转矩变化曲线如下图：

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ap=pi*l2*l2;
   fp=ap.*(p-pmin);
   tq=(sin(theta)-cos(theta)).*fp.*r;
   t_qm=w/2/pi;
   t_qm_(1,1:629)=t_qm;
   figure;
   plot(rad2deg(theta),tq,rad2deg(theta),t_qm_);
   xlabel('角度θ（°）');
   ylabel('转矩');
   title('转矩变化曲线');

根据选定的斯特林发动机类型，确定具体的传动机构，开展斯特林发动机的热力循环计算；从最大化斯特林发动机单次循环的输出功角度出发，优化斯特林发动机系统所涉及的传动机构、相位角等参数。

一、背景介绍

通过学习本课程，我们需要完成斯特林发动机的设计与制造过程，在此过程中掌握工程设计全流程中的基本技能。之所以选择斯特林发动机，是因为能够将热能转化为机械能，并具有以下特点：

1. 效率高：斯特林发动机的热效率相对较高，与理论上最高热效率的卡诺循环相同，实际中可以达到30%以上，远高于传统内燃机；
2. 噪音低：斯特林发动机工作过程中没有爆炸过程，工作过程相对平滑，噪音和振动较小；
3. 热源多：斯特林发动机作为一种外燃机，可以直接利用任何可用热源，如太阳能、地热能与生物质能等可再生能源；
4. 排放少：斯特林发动机在工作过程中没有直接燃烧，为闭口系统，工质环境友好，没有任何有害物排放；
5. 寿命长：连续运行，安全可靠，对高温侧材料要求较高。

斯特林发动机的概念可以追溯到19世纪初，但由于技术限制和市场竞争，长期以来并没有像内燃机那样广泛应用。最近，随着对环保和能源效率的关注不断增加，斯特林发动机再次引起了一些研究兴趣，在水下动力、太阳能动力、空间站动力、热泵空调动力，车用混合推进动力等方面得到了广泛的研究与重视，并且已得到了一些成功的应用。

斯特林发动机按照结构可分为α型、β型和γ型三类，其中α型又称为双动力活塞式发动机，β型和γ型又称为配气活塞式发动机。

通过对于三种类型发动机的基本结构和工作原理的分析与比较，我们最终选择β型斯特林发动机进行实际设计制作。同时考虑到整体项目要求、制作难度与成本等方面，选择单作用斯特林发动机进行制作。

β型斯特林发动机属于配气活塞式发动机，基本结构中包含配气与动力（做功）两种活塞。其中，配气活塞只起到配气作用，并不对外做功，其上下两端压力一致，用于使工质在循环回路中来回流动；动力活塞上、下两腔气压差很大，必须进行密封处理。

斯特林发动机的基本工作原理为斯特林循环。理想的斯特林循环主要包括定温压缩、定容吸热、定温膨胀和定容放热共四个过程，其中两个为定温过程，两个为定容过程：

1. 定温压缩：工作气体在活塞的压力作用下被压缩，使得气体温度降低；
2. 定容吸热：压缩后的工作气体通过外部热源加热，吸收热能，温度升高；
3. 定温膨胀：加热后的工作气体在活塞的推动下膨胀，产生机械功，带动发电机等设备工作；
4. 定容放热：膨胀后的工作气体通过冷却器冷却，使其温度降低，回到压缩前的状态。

上述四个过程循环往复，共同构成斯特林循环。为了确定并验证我们所初步设计的发动机模型能否满足课题要求的最大输出功率达到0.5W，我们需要分析研究在设定条件（与实际设计结构一致）下单次斯特林循环的输出功，并通过计算结果返回迭代传动结构、尺寸与相位角等参数的设计与确定，以实现斯特林发动机单次循环输出功的最大化。

二、物理模型

本报告将给出根据我们目前设计的具体结构参数计算的单次斯特林循环输出功，并建立目标函数通过优化相位角等参数最大化单次循环输出功。

传动机构

传动机构方面，我们采用曲柄连杆机构，基本的物理模型图与我们的设计建模图如下：

上述设计的相关参数如下：

【1】连杆比λ：

通过实际加热测试测定，四个过程状态下活塞的位置参数大致如下：

一、需求分析

β型斯特林发动机是一种热机，通过气体的循环膨胀和压缩过程来产生功。气缸作为该发动机的核心部件之一，承担了容纳工作气体和推动活塞的重要职责，将工质气体受热膨胀的能量转化为机械功。本文旨在分析β型斯特林发动机气缸的工作原理及相关参数的确定与结构设计以满足一定的性能要求，同时在此过程中提升对气体膨胀做功及整个过程中密封、摩擦、公差设计、基本加工工艺、材料传热性能乃至动力学等的认识。

广义的设计要求

1. 高热效率: 气缸必须具备高效的热传导和隔热性能，以确保最小的热能损失和高工作效率。
2. 耐高温性: 由于斯特林发动机工作温度较高，气缸的材料需要能够承受高温环境，同时保持结构稳定。
3. 公差精度: 在气缸的内径、外径和活塞直径等关键尺寸上需要达到高精度的公差，以确保气缸和活塞的匹配度。
4. 耐腐蚀性: 考虑到工作气体可能包含腐蚀性物质，气缸的材料应耐腐蚀，以延长使用寿命。
5. 轻量化: 尽量降低气缸的质量，以减小发动机的整体质量，提高机动性。
6. 制造工艺: 采用精密的机械加工工艺，以确保气缸内外表面的平滑度和尺寸精度。
7. 热传导设计: 优化气缸的热传导设计，以提高热能的传递效率。

具体的设计要求

针对最终需要完成的斯特林发动机，需要满足如下几条设计指标与功能要求：

1. 最大输出功率: 不小于0.5W
2. 热源:普通酒精灯
3. 连续运行时间:不小于30分钟
4. 密封性能: 气缸必须能够有效密封工作气体，具有良好的密封性能以确保高效的热循环过程。
5. 材料选择: 选择常用的适当材料与零部件以满足高温环境下的性能需求。

满足这些需求将有助于确保β型斯特林发动机的性能优越，同时提高其在各种应用领域的适用性。制作气缸需要综合考虑这些需求，并在制造过程中严格控制相关参数，以获得卓越的产品性能。

二、方案提出

1. 加工方式——机加工

选用机加工方法制作缸筒与活塞的理由如下：

1. 精确尺寸控制：机加工可以实现非常高的尺寸精确度，确保气缸内径和活塞直径的精确匹配。这是确保气缸与活塞之间的紧密密封以及减少能量损失的关键。精确尺寸控制也有助于降低磨损，延长气缸和活塞的寿命。
2. 表面质量：机加工可以产生平滑、光洁的表面，减少摩擦和磨损。这对于斯特林发动机的效率至关重要，因为高效的热循环需要最小的摩擦损失。
3. 公差控制：机加工允许对关键尺寸的公差进行严格控制，确保气缸和活塞的尺寸在允许范围内，从而确保它们可以良好地配合。公差控制还有助于提高气缸和活塞的互换性，降低制造成本。
4. 材料选择：机加工允许使用各种高强度、耐高温材料，如高温合金或陶瓷，以满足斯特林发动机在高温工作环境下的要求。这有助于提高耐高温性，确保气缸和活塞在极端条件下保持结构稳定。
5. 加工复杂几何形状：斯特林发动机的气缸和活塞通常具有复杂的几何形状，以实现最佳性能。机加工可以实现这些复杂形状，包括内部凹凸和特殊的密封表面，以确保气缸能够有效地容纳工作气体。

总的来说，机加工满足了精确性、表面质量、公差控制、材料选择和复杂几何形状等多个需求，这些需求都对斯特林发动机的性能和产品质量产生显著影响。通过机加工，可以确保气缸和活塞能够稳定、高效地工作，从而提高发动机的性能和可靠性。

2. 装置主要部件确定

β型斯特林发动机是一种热机，其原理基于气体的周期性膨胀和压缩过程，使发动机能够执行其热循环，将热能转化为机械能。基于实际的需求与制造情况，为方便后期接入整个斯特林发动机，考虑到β型斯特林发动机的基本工作原理，本驱动部件主要由如下四个主要部分构成：

1. 气缸：气缸是β型斯特林发动机的关键组成部分，用于容纳和引导工作气体，包括热源和冷源。在工作过程中，气体会经历周期性的膨胀和压缩，这需要一个容器来容纳和引导气体。因此，气缸是必不可少的。
2. 排气活塞：排气活塞是β型斯特林发动机的重要组成部分，它在工作过程中与冷源接触，以帮助气体压缩。排气活塞的运动导致气体的压缩，从而提供负功。它的存在有助于形成热循环，从而使发动机能够持续工作。
3. 做功活塞：做功活塞是另一个重要的部件，它与热源接触，推动气体膨胀，从而提供正功。做功活塞的运动是热机的关键部分，因为它将热能转化为机械功，实现发动机的工作。
4. 散热片：散热片在β型斯特林发动机中的必要性主要取决于工作条件和设计要求。由于发动机工作时产生热量，散热片用于冷却气缸和活塞，以确保它们不过热。如果不进行散热，发动机温度将升高，可能导致性能下降、部件损坏或设备故障。因此，散热片在保持发动机温度稳定和可控的情况下是必要的。

这些部件共同协作，构成了发动机的关键部分，使β型斯特林发动机能够将热能转化为机械能，并提供功率输出。

3. 材料选择

基于需求分析与相关指标的要求，综合考虑各材料的导热性能与相关参数，基于这两种材料的特性和性能在斯特林发动机应用中的相对优势，最终选择**不锈钢-304材料用于制作活塞、铝合金-0001材料用于制作气缸**，理由如下：

1. 不锈钢-304用于活塞制作：
   • 高耐磨性和耐腐蚀性：不锈钢-304是一种耐磨性和耐腐蚀性较高的材料，这在活塞的应用中是非常重要的。不锈钢的表面抵抗摩擦和腐蚀，有助于提高活塞的寿命。
   • 高强度：不锈钢-304具有相对较高的强度，这对于承受活塞运动和高压力的应力非常重要。这有助于确保活塞的结构稳定性。
   • 高温稳定性：不锈钢-304在一定温度范围内表现出良好的稳定性，这对于斯特林发动机在高温环境下的应用非常有利。
   • 可加工性：不锈钢-304相对容易加工，使其适合制作复杂几何形状的活塞，以满足特定的设计需求。
2. 铝合金-0001用于气缸制作：
   • 轻质高导热性：铝合金-0001具有较低的密度，因此相对轻便，有助于降低整个发动机的质量。此外，铝合金具有良好的导热性，其导热系数相对于其他材料而言更高，可以有效地传导热量，有利于优化发动机的热传导性能。
   • 耐高温性：虽然铝合金的熔点较低，但在典型的斯特林发动机工作温度范围内，铝合金-0001表现出足够的耐高温性。此外，铝合金在高温下也能保持较好的强度。
   • 可加工性：铝合金易于加工，因此可以比较容易地制造气缸的复杂几何形状，以确保其密封性和热性能。

这样的选择有助于确保活塞和气缸能够在高温、高压和高效率的工作环境下稳定运行，并且提高了产品的寿命和性能。 除此之外，考虑到成本、加工难度与加工时间等客观限制条件因素，这两种材料也易于获取与加工，有效控制了整个制造过程的经济与时间成本。

4. 散热片的型号选择与相关尺寸的确定

散热片的主要作用是从热源（如电子元件、发动机、LED等）吸收热量，并将其有效地散发到周围环境中。使用散热片的主要原因：

1. 保持温度稳定：散热片有助于保持热源的温度在可接受范围内。过高的温度可能导致设备故障或元件损坏，因此散热片对于稳定运行至关重要。
2. 延长寿命：有效的散热可以延长设备和元件的寿命。高温环境可能导致元件老化，降低其寿命。通过散热片，可以有效地冷却元件并延长其寿命。
3. 提高性能：在高温环境下，设备性能通常下降。通过散热片，可以确保设备在更长时间内保持高性能，以满足连续运行时间的需求。
4. 安全性：一些应用中，如电子设备，高温可能导致火灾或其他安全问题。散热片有助于维持较低的温度，减少了潜在的安全风险。

一、背景介绍

建筑墙体作为建筑的重要组成部分，在维护室内舒适温度和能源效率方面起着重要作用，研究其作用及在传热过程中的特性对生态建筑的可持续发展具有重要的指导意义。发展生态节能建筑最终的目标就是要在满足室内居住者的热舒适基础上降低建筑的能耗，对实际居住者而言较关注的是如何以较低的能耗获得舒适的建筑室内热环境。考虑到当前大部分大型公共建筑、工业建筑与高层住宅的主要承重构件包括梁、板、柱等均采用钢筋混凝土结构，因此本文将着重针对此种结构简化模型的传热过程进行分析。

稳态传热是指传热系统中各点的温度仅随位置而变化，不随时间而改变的传热过程，对于这一传热过程的分析有助于评估墙体在不同环境条件下的隔热性能，其中一个关键参数是环境空气流速。本研究旨在分析单位面积上典型建筑墙体的稳态散热过程，特别关注墙体散热量随环境空气流速的变化关系。

二、物理模型

钢筋混凝土墙体结构的物理模型如下图1、2、3所示。

图1：钢筋结构图解

图2：墙体结构物理模型

图3：墙体处传热物理模型

在上述简化模型中，选取房间中心为坐标原点，定义有如下参数：

（1）室内方墙高宽比为Ar=L/H；

（2）模型左端设有厚度为s的墙体；

（3）墙体内侧空气流速为V1，墙体外侧空气流速为V2；

（4）墙体内侧温度为Tf1，墙体外侧温度为Tf2，且由于研究室内散热过程，默认Tf1>Tf2；

（5）钢筋混凝土结构内表面温度为Tw1，钢筋混凝土结构外表面温度为Tw2，且由于研究室内散热过程，默认Tw1>Tw2。

注意：模型中方腔右侧墙体及上、下墙体均为绝热且不考虑厚度。

三、传热过程分析

该简化传热过程主要可以分为以下三个环节：

（1）墙体内侧的对流换热

该过程为热对流过程，由牛顿冷却公式可得：单位面积墙体上的对流传热量Q1=hΔT1

其中，h为表面对流换热系数，通过查询相关文献与手册（《民用建筑热工设计规范》 GB 50176-2016)可得，当Ar=L/H<=0.3时，空气在钢筋混凝土内表面的对流换热系数约为8.7W/m^2-K；当Ar=L/H>0.3时，空气在钢筋混凝土内表面的对流换热系数约为7.6W/m^2-K（如图4所示）。ΔT1为室内空气温度Tf1与钢筋混凝土内表面的温度Tw1之差。

tips:请在使用该系统前安装好相应的库文件（详见附录二），并在不同控制台分别运行roscore（ros操作系统内核）、rosbag play –loop –pause all.bag（ros数据包展示）和rosrun gmapping slam_gmapping（任务四建图处理进程）

该系统程序名为final_system，使用以下命令克隆git仓库：

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git clone https://github.com/Asgard-Tim/ROS-Coding.git

安装好相关库文件后可通过以下命令运行系统程序：

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//项目构建

cd /home/ubuntu/project/catkin_ws

catkin_make

//程序运行

source /home/ubuntu/project/catkin_ws/devel/setup.bash

cd /home/ubuntu/project/catkin_ws

rosrun final_system final_system

完整代码已上传至Github平台，URL地址：Asgard-Tim/ROS-Coding: 重庆大学明月科创实验班软件设计课程作业 (github.com)

Bilibili同步上传系统演示视频Demo，链接：重庆大学明月科创实验班软件设计作业–ROS数据展示系统_哔哩哔哩_bilibili

程序主要结构与算法分析

在**main()**函数中：

• 创建ROS节点和节点句柄。

• 调用**initialize()**函数显示初始菜单:提示用户选择登录、注册或退出系统。

• 定义一个user类，用于保存用户的用户名和密码信息;根据用户选择执行不同的操作：

• • 登录：要求用户输入用户名和密码，然后检查是否匹配存储在文件中的用户信息。
  • 注册：要求用户输入新的用户名和密码，然后将用户信息保存到文件中。
  • 退出系统：结束程序运行。

• 如果登录成功，调用**systeminitialize()**函数显示登录成功后的菜单:提示用户选择不同的数据可视化选项或退出系统。

• 根据用户选择执行不同的数据可视化操作：

任务一：用命令行窗口显示小车的IMU和里程计（odometry）数据

• • IMU数据：订阅IMU数据的ROS话题，将数据传递给回调函数callback1进行处理。

  • 回调函数callback1，处理IMU数据：

  • • 从接收到的IMU消息中获取线性加速度和角速度信息。
    • 使用std::cout打印出线性加速度和角速度信息。

  • 里程计数据：订阅里程计数据的ROS话题，将数据传递给回调函数callback2进行处理。

  • 回调函数callback2，处理里程计数据：

  • • 从接收到的里程计消息中获取位置和姿态信息。
    • 使用std::cout打印出位置和姿态信息。

任务二：用图形界面显示颜色相机和深度相机的数据（利用OpenCV库）

• • 颜色相机数据：订阅颜色相机数据的ROS话题，将数据传递给回调函数callback3进行处理。

  • 回调函数callback3，处理颜色相机数据：

  • • 将接收到的彩色图像消息转换为OpenCV的图像格式。
    • 使用OpenCV的窗口显示彩色图像。

  • 深度相机数据：订阅深度相机数据的ROS话题，将数据传递给回调函数callback4进行处理。

  • 回调函数callback4，处理深度相机数据：

  • • 将接收到的深度图像消息转换为OpenCV的图像格式。
    • 使用OpenCV的窗口显示深度图像。

任务三：用图形界面显示激光雷达的点云数据（利用PCL库）

• • 点云数据：订阅点云数据的ROS话题，将数据传递给回调函数callback5进行处理。

  • **pcl::visualization::CloudViewer viewer(“Cloud Viewer”);**：创建一个PCL点云可视化器。

  • 回调函数callback5，处理点云数据：

  • • 将接收到的点云消息转换为PCL的点云格式。
• • • 使用PCL的可视化器显示点云。

任务四：自行选择一种高级算法（例如语义分割、三维重建、导航定位（SLAM）等），实现该算法（可以直接利用第三方库），将其集成到系统中

• • 选择Gmapping算法（一个基于2D激光雷达使用RBPF（Rao-Blackwellized Particle Filters）算法完成二维栅格地图构建的SLAM算法）
  • 占据栅格地图数据：订阅占据栅格地图数据的ROS话题，将数据传递给回调函数callback6进行处理。
  • 回调函数callback6，处理占据栅格地图数据：
  • • • 从接收到的占据栅格地图消息中获取分辨率、宽度和高度等信息。
      • 创建一个OpenCV的图像对象，用于绘制地图。
      • 遍历地图的每个栅格，根据栅格的值绘制不同的颜色圆点。
      • 使用OpenCV的窗口显示地图。

各功能部分构建过程与实现效果

1.系统界面

（1）登录界面

（2）功能选择界面

2.各部分功能

本项目全部代码已同步上传至Github,仓库链接：Asgard-Tim/Path-Planning: 重庆大学明月科创实验班定量工程设计方法课程项目 (github.com)

一、设计要求

在本部分的课程项目中，要求我们运用LD14雷达扫描地图，在MATLAB中进行人工势场添加并对STM32小车进行路径规划，在一规定的场地中让小车避开两个矩形障碍物并以尽可能短的路径最终抵达圆形目标位置。

二、系统方案

2.1 移动底盘分析

小车为履带式小车，左右履带分别由一枚直流电机进行驱动，运动模式类似常规双轮小车，通过左右两枚电机转动的差速实现转向。该小车相对来说较为容易进行控制，只需要控制两个驱动轮的速度存在差异，即两轮差速，即可控制机器人实现无滑动摩擦的旋转，也可实现零半径转弯。

图2-1 双轮履带小车外观图

图2-2 两轮差速式机器人运动学分析图

对小车移动底盘的运动学分析（如上图2-2所示）：

小车的速度控制主要是控制 X 轴（前后方向）和 Z 轴（旋转方向）的速度， 以 Vx 和 Vz 来指代，单位分别是 m/s 和弧度/s。X 轴方向以前进记为正，Z 轴方向以右转记为正。车轮速度是使用编码器来计算和得出，读取编码器计数后再转化成车轮的速度。Vz则是通过左右电机转动的差速计算得到的。

图中参数分别代表：

2.2 电机特性分析

在本次项目中，我们采用带有减速器与编码器的直流电机驱动小车前进。

直流电机的物理模型图如下图2-3所示。其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。 (其中 2 个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的) 它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极 N 和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。在电枢铁心上放置了两根导体连成的电枢线圈， 线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间 互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴 之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷 B1 和 B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。在电刷上施加直流电压 U,电枢线圈中的电流流向为：N 极下的有效边中的电流总是一个方向，而 S 极下的有效边中的电流总是另一个方向。这样两个有效边所受的洛伦兹力的方向一致（可以根据左手法则判定），电枢开始转动。具体来说就是，把上图中的+和-分别接到电池的正极和负极，电机即可转动；如果是把上图中的+和-分别接到电池的负极和正极，则电机会反方向转动。电机的转速可以理解为和外接的电压是正相关的（实际是由电枢电流决定）。

总而言之，如果我们可以调节施加在电机上面的直流电压大小，即可实现直流 电机调速，改变施加电机上面直流电压的极性，即可实现电机换向。

图2-3 直流电机的物理模型

在具体的使用过程中，我们需要通过在特定的引脚之间（如本次项目所用电机为1/6引脚）接上一个直流电源，电机即可转动，且改变电压大小即可改变电机转速。接线方式说明如下图2-4所示。

本项目定量分析部分Matlab代码已同步上传至Github,仓库链接：Asgard-Tim/QEA-Boat: 重庆大学明月科创实验班定量工程设计方法课程项目 (github.com)

一、项目介绍

在该项目中，我们需要设计制造一艘小船，该小船需要满足以下条件：该艘船的倾覆角度须满足在120°至140°的范围之内，即在倾斜角度到达120°之前都能够回正，同时在超过140°之后不再具有扶正的能力；此外，船体具备一定的载重能力（两罐听装可乐），不会沉没或者有太大（平衡位置甲板与水面夹角超过10°的倾斜）。为了达到以上的指标要求，我们将使用Matlab软件进行相应的定量分析设计，并以木板为材料进行加工制作。具体的呈现详见下文。

二、第一性原理分析

在明确需要达成的指标之后，我们需要使用第一性原理对需要解决的问题进行回归、逐层拨开，回到基本的数学物理公式之中，以便进行较为精确的定量化设计。深入过程见上图。

三、船体设计

3.1设计方向

3.1.1第一性原理的实现

倾覆角度（120°~140°）实现：

设计灵感来源于鱼漂（鱼漂主要分为漂尾、漂身、漂脚，三部分。漂脚大致分为碳脚、竹脚、钢脚等，漂脚的材质不同，自身的重量就不相同，漂脚越重整支鱼漂的重心就会偏下，使鱼漂入水后翻身站立的时间缩短，也就是我们常说的翻身快。）鱼漂的结构恰好可以很好地解决90°以上倾覆角回正的问题，即“头轻脚重”。通过为船体加装舰岛等提供浮力的模块以及合理调节船体各部分高度来进一步精确化满足倾覆角区间。

载重能力（约700g）实现：

除去船体本身的重量将实现700g左右的载重。船体设计将在船体舰岛中为所载货物预留空间，并且预留出排水体积（即预留最大吃水深度），以满足载重要求。

稳定性实现：

当船舶受到外力倾斜时，其重力的大小位置不发生变化，浮力的大小也不变，但浮力的中心位置会发生偏移。我们知道浮力作用的中心是水下体积的中心，当船舶倾斜时，水下体积形状发生改变，倾斜下沉一侧的水下体积会增加，此时浮力的作用中心会向倾斜的一侧移动，浮力和重力不在同一条直线上，他们形成的力矩和倾斜力矩相反，这就是船舶的复原力矩。只要船舶倾斜，船舶的复原力矩就必然出现，方向永远和船舶的倾斜方向相反，这就是船舶拥有稳性的原因。我们将船舶这种受到外力矩（如风浪等）的作用而发生倾斜，在外力矩消失后自行恢复到原来平衡位置的能力，称为船舶的稳性。

我们对船的剖面演示分析可以发现。当船发生倾斜时，浮心位置改变，我们将浮心所在的垂线于船体中心线交点称为稳心。当稳心在船舶的重心之上时，船舶可以回正。当稳心在重心之下，船舶就发生了倾覆。那么船舶横摇的角度达到多大的时候，我们的船会发生倾覆呢？我们分析研究稳性力臂随着船身倾斜角度变化的曲线。当稳心与重心等高时，也就是这条曲线由正变为负的时候，所对应的船身倾斜角度叫做稳性消失角。当船体的倾斜超过了这个角度，船就会翻。也就是说船舶倾斜在稳性消失角之前，稳心的位置比重心高，稳性力臂为正，复原力矩值也就为正，这时即使船体倾斜，也会回复到船舶原有的平衡位置。当船舶倾斜角度超过了这个稳性消失角，稳心位置就比重心低，稳性力臂比为负，复原力矩值也就为负数，那么这个时候就会发生翻船。这样就解释了船受到外力作用会在海中左右摇摆，随着外力的增加摇摆的更加激烈，船的横摇由于复原力矩的存在，能使其回正，但若超过了稳定消失角这个值，就会发生倾覆。

提高船体稳定性一是降低船体的重心来提高船舶的稳性。例如比赛帆船，通过加中竖龙骨的方法来降低它的重心，使其稳性消失角能够达到150度~170度的角度，接近于永不颠覆的船。另外，增加船宽也可以使船舶获得更高的稳性。例如对安全性要求较高的原油运输船，船体会比较宽，船型比较的矮胖。其他还有多种方式可以抵御船舶倾覆的风险。

动力实现：

动力大致分为驱动和电控两个模块，以及电池，螺旋桨的装配，选取适当控制模块来实现。