运动力学研究范例

摘要：运动力学研究的是物体的运动规律。这一理论在诸多领域中都有应用，在机械结构设计中也有着非常重要的应用。就此展开了讨论，简述了机械结构的设计特点及设计要素，分析了运动力学在机械结构设计中的应用准则，详细阐述了其在机械结构设计中的具体应用。

关键词：运动力学；机械结构设计；应用

机械结构设计是一项复杂的工作。运动力学对机械结构设计具有理论指导作用。在机械结构设计不断创新的背景下，研究人员也在深入研究运动力学理论，以此希望优化机械结构设计，提升机械结构设计质量。

1机械结构设计特点及设计要素

1.1机械结构设计特点

机械结构设计具有以下特点：（1）一体化设计。机械结构设计思考、绘图、计算等工作是统一的、紧密相连的。这就意味着机械结构设计的工作量比较大，出现的问题比较多，设计人员若想保证机械结构设计的质量，就要深入探讨整个机械结构设计过程，尽可能地保证每一个设计环节都能准确、完善。（2）涉及的问题比较多，且具有复杂、多解的特征。比如，对于同一个设计，可以制定多个设计方案。作为设计人员，应充分发挥自身的主导作用，从中选择最佳的设计方案，保证机械结构设计的质量。（3）活跃性最强。在机械设计中，需要对方案不断地修改、优化、完善，以满足设计要求。这一过程是非常繁琐、复杂的。

1.2设计要素

一、非线性动力学方法

近年来,非线性动力学特别是分形几何和混沌科学的理论被广泛地应用于许多领域,包括经济学、生物学、医学和社会学等方面的研究。在生物医学中的应用主要是对生物医学信号的非线性动力学参数的计算,进而通过比较这些参数分析结果以得到可靠的医学信息。常用的非线性动力学参数主要包括:维数、熵及李亚普诺夫指数。

1.维数

维数是用来描述物体的空间几何形状,如1维、2维等日常所说的整数维及如1.5维、3.5维等分数维的几何空间形状。为了分析信号的分形特征,测量的信号在不同时刻之值生成重构坐标矢量,从而构成相空间(即重构相空间)。分形维数分析了信号在不同尺度下相同程度的复杂特性,信号最基本的分形特征就是它的分数维数。关联维是分数维的一种,常被用来分析生物医学信号,按照GP法(GrassbergerandProcaccia,1983)计算出来的,它是一个相空间中轨迹的几何度量,描述轨迹中两点的关联性。关联维数值的大小表示相空间中轨迹的复杂或不规则程度,所以能够定量描述嗓音信号的复杂程度。例如,恒定信号(吸引子是一个不动点)的维数是0,周期信号(如正弦波)的维数是1,随信号的复杂程度而逐渐增加,这样就可以定量测量声带振动的信号,评估其复杂性。

2.熵

熵是描述信号系统的可预测性,是系统混乱无序程度的量度。在非线性动力学中,用熵来估算产生新信息的速率,如熵趋近于0,则系统在作规则运动(如周期运动),相反,如熵值趋近于无穷,则系统处于完全随机的过程。对于一个混沌系统,可以用熵来测量信号的复杂程度,借此可根据信息的丢失和产生的速率对系统进行分类,判断系统的复杂程度。周期运动的熵为0,随机运动的熵为无限大,混沌运动的熵是一个有限的值,可表示信号的不规则程度,这样也可以量化声带振动的信号,评估其复杂程度。

3.李亚普诺夫指数

摘要：随着我国现代化进程的不断推进，传统的刚性机器臂已经无法满足高速发展的工业生产需求，各项生产性能和工业制造精度也在不断提高。因此，总质量较轻且结构紧凑的柔性臂结构成为了突破现今工业机器人生产限制的关键技术，同时也是工业机器人领域内的研究热点之一。弹性震动问题直接影响柔性臂的生产性能，本文基于柔性臂原理和结构特点，介绍了柔性臂结构设计和控制系统设计思路，最后通过分析振动影响，从动力学特性以及系统控制策略的角度，展望了柔性臂结构工业机器人的应用前景。

关键词：柔性臂;结构设计;动力学;控制策略

随着我国工业改革的不断深入，航空、航天、汽车、重工等工业领域广泛采用了机械臂进行相关的生产活动。然而，由于现代科技的不断发展，新技术的不断突破，传统刚性机械臂无法实现高精度、高负载、高速的现代化工业生产。因此，柔性臂作为一种能耗低、重量轻的新型自动化操作装置，受到国内外的广泛关注，特别是电子仪器的精加工、自动化微装配生产线、精密仪器生产等领域都广泛采用柔性臂结构。柔性臂结构工业机器人是一种多输入、多输出、非线性的机械臂系统且具有一定的固有振动特性，因而在超高速、高负载等复杂多变的工况下柔性臂结构的动力学运动轨迹极其复杂，长时间作业时机械臂会发生定位误差、精度下降。因此，需要综合考虑柔性臂工业机器人的动力学特性和控制策略，进而设计出合理、稳定的机械臂结构。

1柔性臂及其原理

柔性臂工业机器人是通过杆件柔性和关节柔性两种柔性表现形式来进行工业生产的，这两种柔性表现形式为工业机器人提供了更多的自由度，并可以将刚性机械臂转换成具有高自由度的柔性臂。杆件柔性是指在柔性臂运动过程中柔性杆在接触区产生杆件的弹塑性变形、弯曲、拉伸时，通过波传递到杆中对机械臂的承受载荷产生较大影响的一种柔性表现形式。关节柔性是在减速器运转、转轴转动时产生的一种柔性表现形式，柔性臂杆件原理结构如图1所示：

2柔性臂结构设计要点

柔性臂工业机器人基于结构特性分为柔性杆件臂、柔性关节臂、混合柔性臂等类别。柔性臂由于其特殊的结构特点，在工业生产中会发生柔性形变，柔性臂末端将出现抖动现象使得生产精度无法得到保证，因此设计柔性臂工业机器人的控制系统是极其重要的，需要在保证柔性臂定位精度的同时确保柔性臂系统的稳定性。此外，工业机器人在生产时需要由动力系统驱动机械臂，传统刚性臂工业机器人大多基于电磁电机构建驱动系统，齿轮、丝杠容易出现传动误差以及惯性干扰。现代超声电机则具有良好的驱动性能、高精度的控制效果能够构建响应时间短、结构紧凑的驱动系统，因此现代超声电机组成的驱动系统被广泛应用在柔性臂工业机器人系统中。

［摘要］现如今，随着一些高新技术的不断崛起，我国生产出了很多现代化的机械。跟传统的机械不同的是，现代化机械具有更高速、更精密的特点。而且，现代化机械最主要的特征就是其机电子系统具有高度的统一性和协调性，对于现代化机械的分析、设计、安装以及状态的检测和维护来说，都是需要现代力学技术作为基础的。因此，在本文中，就针对于机械设计中所存在的动力学问题进行了相应的分析。

［关键词］机械；动力学；技术

对于现代化的机械来说，人们不仅要更加精巧地设计出机械结构、零件、以及各个方面的组合形式，还要充分、合理地将其他行业中的科研结果运用进来，设计出新型的机电系统，不仅能够使机械设备达到高速、高精度、高自动化的状态，还可以在最大的程度上降低在机械设备上投入的成本以及机械操作者的劳动程度，从而实现操作简易化和人性化。这些功能的出现，都与人们在现代力学的分析、研究有很大的关系。

1关于现代汽车设计中所存在的动力学问题

汽车，是我们在日常生活中能够见到的一种极为典型的现代机械产品。现代汽车是在传统汽车的基础上进行技术改造的，并且还在其中引入了现代电子技术、现代力学以及控制理论等技术，从而研制出了一种高新电子控制装置技术。这种技术在现代汽车的运用中，不仅能够使汽车拥有高速行驶的功能，还能够在很大的程度上提高汽车的乘坐舒适性、安全性以及操作便利性等。而且，现代汽车的尾气排放也会得到相应的控制，拥有更节能、排放性更低的特点。现如今，人们将很多技术都与汽车融合在一起，包括才诞生不久的电子技术、材料技术以及一些生物技术等，都跟汽车有了联系。甚至，还有人专门研制出了可以适用于任何汽车的新技术。因此，我们这才能够看到一些电喷式发电机、电动助力转向、安全气囊，以及雷达测距装置等新技术的出现。为了让这些装置和技术能够得到充分的运用，人们就不得不弄清楚人机之间的关系问题，弄清楚人体的生理承受能力，弄清楚电喷式发动机在工作过程中的喷油参数以及发动机的排放物成分等。另外，还要研究出这些装置技术的动力学特性以及控制规律，研究出电力汽车和无排放汽车的电机动力学特性和其他相关传动装置的动力学特性等。

2关于小、微型机电系统中所存在的动力学问题

现如今，一些小、微型的机电系统已经在人们的生活中开始了广泛的运用。比方说，人们经常使用的照相机、手表以及一些微型电器，甚至是在航天航空的领域中，都有用到一些直径仅仅只为几毫米的超声电机。甚至，还有更小尺寸的微型机电系统也在运用当中。比方说，喷墨打印机中的微型泵。除此之外，还有一些借助于生物技术或者是化学工艺加工而成的更小尺寸的MEMS、NEMS系统也在逐渐地发展过程中。对于这些微型的机电系统来说，是与传统的电机或者电泵完全不同的，不管是结构，还是工作原理，都截然不同。这些现代化的微型机电系统完全是利用动力学的原理和现代的控制技术来发挥作用的。在这里，笔者就拿超声电机来举例：在通常情况下，超声电机一般是利用压电陶瓷等材料的压电效应来进行工作的。这种压电效应就是指通过使用20kHz以上的高频电源，使得压电材料产生微观的机械振动，然后通过定子和转子之间的摩擦作用，将定子的微观振动转换成转子的宏观直线运动。这种超声电机的工作转速和载荷都是通过控制技术和装置来进行的。超声电机的使用是属于一种典型的机电耦合动力学问题，其理论核心就是建立起一种系统性的机电耦合动力学模型，其中包含了驱动电源的输出特性、定子与转子之间的摩擦副力学特性，以及定子和转子之间的动力学特性等等。

摘要：随着人工智能社会的到来，机器人已经逐渐步入智能制造等各行各业，但机器人不能主动适应外界条件的变化造成其应用的局限性。文章从动力学优化、仿人动作标准、架构优化和交互控制优化等角度探讨了一种自适应机器人的优化设计过程，从而提高机器人的自适应性，扩大了机器人的应用范围。

关键词：自适应性；机器人；智能制造；优化分析

1概述

我国已经迈入人工智能社会，机器人已经逐渐应用于社会的各行各业。虽然国内的机器人在发展过程中取得了较大的进步，但是在适应性等方面仍旧有一定的问题。虽然机器人效率较高，但是还不能完全针对外界条件变化做出自适应调整，造成一定的推广局限性。

2自适应机器人动力学优化分析

自适应机器人当下应用较为广泛的有液压、气压和电机驱动三种。但是因为液压驱动存在漏油的极大危险问题，气压速度和重量上存在控制难度，所以二者在高精度场合中应用较少。电机是应用最为普遍的一种，在机械产品中也有广泛的市场。因为电机驱动的能源较为普遍，在速度和重量上控制都比气压有优势，在安全系数方面比液压有优势，所以电机是康复训练机器人应用最广泛的驱动方式。噪音较小，也可以在各方面减轻对患者的影响[1]。自适应机器人在研究过程中建立机器人和人体运动学模型，从而将机器人逆运动学方程进行求解，通过以上结论，分析系统工作时人体下肢相关参数以及人体运动之间的关系。最后再机械臂静力学和动力学方程进行计算和求解，算出机器人各关节所受扭矩的动力学方程和静力学方程。自适应机器人的机构一般有两套，包括左腿机构和右腿机构，在运动过程中，传送带可以约束左右腿机构的滑块，运动过程中，机器人具有三个自由度。一个自由度通过电机驱动传送带，来控制组右腿的往复运动，另两个自由度在电机驱动下带动左右踏板，完成对踝关节的调节，使得在这一过程中，踝关节的舒适度达到要求。

3自适应机器人仿人动作标准优化分析

【摘要】为提高海岸动力学课程的教学效果，文章基于工程教育认证的要求及目标，围绕课程教学改革进行了探讨，以学生为中心，以培养目标为导向，明确了教学目标，并提出了教学改革策略，优化教学体系，利用参考资料及课程网站，采用传统教学与多媒体教学、工程案例教学、实践教学相结合的教学手段，多样化考核方式，并完善持续改进机制，以提高教学质量，激发学生学习的主动性和创新性，培养综合性工程人才。

【关键词】海岸动力学;工程教育认证;教学方法;持续改进

工程教育是我国高等教育的重要组成部分，在高等教育体系中“三分天下有其一”。针对工程教育开展的中国工程教育认证工作由中国工程教育专业认证协会组织开展，其目标是：构建中国工程教育的质量监控体系，推进中国工程教育改革，进一步提高工程教育质量；建立与工程师制度相衔接的工程教育认证体系，促进工程教育与企业界的联系，增强工程教育人才培养对产业发展的适应性；促进中国工程教育的国际互认，提升国际竞争力。[1]工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础，其核心是确认工科专业毕业生达到行业认可的既定质量标准要求，是一种以培养目标和毕业出口要求为导向的合格性评价。为促进工程专业发展，提高学生专业素养与能力，加快工程教育国际化进度，中国海洋大学响应国家号召，于2017年开展并顺利通过了港口航道与海岸工程专业认证。海岸动力学作为港航专业的核心课程，是学生实现毕业要求，达到培养目标的重要保障。

一、课程介绍

海岸动力学是海岸工程和海岸带资源综合开发利用的理论基础，对于利用与开发海岸带、保护海岸工程至关重要，更是海港建设的关键。海岸动力学主要任务包括：研究自然动力因素（主要是波浪、波生流、潮流）对于海岸及海岸建筑物的作用；掌握海岸泥沙运动规律；了解海岸变形（冲刷和淤积以及海岸地貌的形成和演变）规律。

二、课程目标

学生将通过学习该课程，了解海岸动力环境的基础知识；掌握微幅波理论、有限振幅波理论以及各种波浪理论的适用范围；掌握波浪短期统计特性和波浪谱概念，掌握波浪传播变形、辐射应力以及波生流物理产生机理；掌握推移质输沙率、悬移质输沙率、波流共同作用下的输沙率；了解海滩上的泥沙运动与岸线变形并掌握海滩平衡剖面概念；了解淤泥质海岸上港口及航道回淤量的估算方法和岸滩演变、海岸防护；使学生在港口规划布置及海岸工程的环境影响等方面有一定的基础知识，为学习专业课程以及今后从事科学研究打下基础。

本文旨在以前人研究成果为基础，对全球构造动力体制和复合造山作用的一些基本问题提出认识，供大家讨论，而有关不同构造动力体制下形成的区域成矿地质环境及其专属的成矿作用将另文再行讨论。

全球构造动力体制

1.大洋动力体制

全球性的构造动力体制决定全球性的构造体系。自20世纪50～60年代海底扩张-板块构造学说提出以来，经过几十年的丰富和发展，其理论体系日趋成熟和完善，逐渐成为统一固体地球科学领域全球性构造研究的经典学说。板块构造理论的提出，成功的回答了先前其他构造学说难以解释的一些地学问题，如大陆裂解、大洋扩张、板块俯冲、火山地震和板块(大陆)边缘成矿等。其最大的成功之处就在于解决了这些现象产生的动力来源，认为板块的相互作用是引起大地构造活动的基本原因。有关于板块构造理论的基本观点、基本理论、基本知识及其最新发展已有众多的文献加以报道，此不详述。板块构造源于大洋，描述和解释的是以水平运动为主导(水平运动激发垂直运动)的板块构造导致的大陆边缘增生和大洋板块消失及与其相关的构造、岩浆(火山)、成矿、地震和运动现象。

尽管至今还没有完整理论阐明板块运动的驱动力和地幔对流机制，但基于板块运动开启自海底扩张，不妨将板块构造的动力学体制称为大洋动力体制，基于大洋动力学体制研究的科学就是大洋动力学(马宗晋和高祥林，2004;李锦轶，2009)。现代地球上，大西洋、印度洋属于大洋动力体制演化的早期阶段，太平洋中脊及东西两岸地区属于高峰期，而地中海则属于其晚期。而在地球化学的历史上，可能与超大陆旋回一致，许多地区曾经历了大洋构造动力体制的演化。如在青藏高原和西南三江地区，李光明等(2000)论证了夹于班公湖-怒江和雅鲁藏布江两条巨型板块结合带之间的冈底斯构造带，是一个经历有晚古生代-中生代复杂的多岛弧-盆系演化历史;而潘桂棠等(2001)则系统讨论了东特提斯古生代-中新生代多岛弧盆系的演化过程。显然其历史上经历了典型的大洋构造动力体制的控制。

2.大陆动力体制

“板块构造”并不直接等价于全球构造(马宗晋和高祥林，2004;张旗，2008)。近代大陆岩石圈流变学、地震反射剖面及大陆科学钻探的成果揭示，不同于简单的大洋刚性块体，大陆岩石圈是一个不均一、不连续、具多层结构和复杂流变学特征的复合体(许志琴等，2008)。大陆下面的软流圈也没有全球意义，一些古老大陆的山根深深地插入(可达400km)地幔之中，构成稳定的大陆核心，大陆岩石圈的“壳内流层”使其刚性明显不足，并且其化学边界层和热边界层要比大洋厚得多和老得多，大陆流变学结构和演化过程十分复杂，所以，其动力学过程与大洋岩石圈是不同的。因此人们愈来愈发现运用经典的板块理论很难解释大陆地质，具有复杂流变特征的大陆岩石圈使板块构造理论“登陆”受到很大的阻力。这正如美国大陆动力学计划(1989年)所指出的“大陆物质的增生和消减过程仍然是一个谜”，“板块构造理论并未阐明大多数动力作用，特别是发生在大陆地区的作用”，所以，当20世纪90年代国际岩石圈计划从结构构造演化转向过程与动力学时，大陆动力学作为优先发展的领域就应运而生了，现已迅速成为当代地球科学的重要前沿。

摘要：“自动武器动力学”是自动武器专业的基础课程，是一门理论性与实践性极强的课程。由于课程难度较大，该文针对传统教学方式存在的不足，采用翻转课堂教学方式，围绕“线上教学+线下教学+现场学习”的混合教学模式，进行“自动武器动力学”课程设计及教学方法改革的探讨，以期通过教学改革激发学生的学习兴趣，加深学生对专业知识的理解和掌握，培养学生科学思维和创新能力。

关键词:自动武器动力学；翻转课堂；教学改革

“自动武器动力学”是自动武器专业的基础课程，教学目的是使学生掌握经典自动机动力学的基本理论和现代设计方法（如计算多体动力学和有限元方法）进行自动武器运动和动力分析。通过对自动武器各运动构件运动规律的分析与讨论，为分析和设计自动武器提供理论依据与指导，为解决自动武器研制中出现的机构可靠性和射击精度等问题提供理论与技术支撑。“自动武器动力学”课程的理论性与工程实践结合紧密，而传统的教学模式存在课堂气氛沉闷、实践动手能力培养不足、考核不够全面等问题。翻转课堂教学模式采取学生课前预习、完成课程基础理论学习，课上针对具体问题与教师互动的方式，完成教学活动[1]。翻转课堂教学模式既符合“自动武器动力学”课程的特点，又能提高学生的学习兴趣和课堂教学效率。对于“自动武器动力学”翻转课堂教学设计的研究具有重要的理论和实践意义。基于翻转课堂教学理念，本文对“自动武器动力学”课程进行课程设计和教学单元改革。在教学方式上采用“线上学习+线下学习+现场学习”的混合教学模式。本文主要围绕教学设计中的以下内容开展研究：教学内容的组织和设计；课前任务和资源的准备；基于问题导向的分析案例设计；线上自学效果检验和过程性考核设计；等等。

1教学内容的组织和设计

“自动武器动力学”课程的知识体系由浅入深，层层递进。本文将传统的教学内容划分为11个学习专题，包括理论学习专题和实践学习专题。理论学习专题（包括常规自动机运动特性估算等共6个理论专题）主要采用线上线下相结合的教学模式，线上教学采用微课模式，线下的课堂教学环节采用对话式教学，由教师提问，引导学生进行思考，接着通过习题演练（共16个关联习题），帮助学生更好地学习和掌握。在理论专题学习结束之后，根据实际科研问题开展基于现代设计方法的实践专题（包括典型发射机构动力学分析、供弹可靠性分析、抛壳可靠性分析等5个实践专题）的学习，采用以问题为导向的案例分析方式和线上线下相结合的教学模式。线上教学主要提供自动机动作过程、典型故障再现视频和相关文献资料，学生线上开展讨论与故障探究；在线下课堂教学环节，教师讲解分析模型，建立关键环节，学生采用小组协作模式，组成分析小组，针对典型故障问题开展仿真分析研究。有专家[2]指出，合理设计线下教学与线上学习的时间比例是混合式学习的关键。本课程将理论学习作为线上学习的重点，实践学习主要依靠线下学习和现场指导，避免了学习活动和内容的重复，让线上学习、线下学习和现场学习活动相辅相成。往年的学生考核结果显示，理论学习难度较大，学生掌握程度普遍不高。而通过线上教学方式，教师将理论课微课上传至线上，学生可以反复学习。线上教学数据统计显示，2017级学生对于课程知识难点的平均反刍比达210%以上，表明学生对关键知识点的掌握更好。

2教学任务分解

2.1课前线上学习。教师在网络教学平台建设网课、录制微课，通过线上平台消息推送、教学QQ群布置学习任务。教师向学生提供相应的学习资源，设置任务点，督促学生学习视频和教学资料，完成知识点的学习。