机电系统多混沌效应及其能量俘获的研究

Every mechatronics is mainly constituted by actuators along with controlling system and mechanisms. Both the sub-systems are nonlinear, which implies that chaos may arise from these sub-systems under certain circumstances. On the other hand, the motion of a mechatronics is converted and transformed by the links and kinematic pairs in the system, so the motions of two sub-systems are strongly coupled. One of questions we intend to investigate in this project is whether the intensity of chaos increases or decreases when more chaos arise simultaneously, namely multi-chaos effect. For establishing the index for intensity of chaos and finding out the mechanism of multi-chaos effect, some conceptions and theories from the mechanical vibration and mechatronics are introduced into our study. By means of the index for intensity of chaos, the link with strong chaotic motion can be determined, to which an energy harvester will be attached to supply energy to the elements with low energy consumption. Some issues concerning harvesting energy from chaotic excitation should also be studied, including how to pick up the high-energy trajectory among chaotic trajectories and how to control the motion of energy harvester remaining on the trajectory. The main subjects of our study are linear module and rotary module, the underactuated mechanism driven by control motor, passive bipedal walking robot and electrostatic MEMS. It is believed that the studies of this project are beneficial for the development of nonlinear science, mechanism science and mechatronics in both theory and practice.

机电一体化系统主要是由驱动及控制系统和机构这两个子系统组成的。这两个系统通常均为非线性系统，则在一定的条件下，均有可能发生混沌现象。另一方面，系统的运动是通过构件和运动副传递和变换的，两个子系统之间的运动是高度耦合的。本项目研究的多混沌效应是指在机电系统中多个混沌同时存在时候，混沌运动强度是增强还是减弱这一问题。本项目拟结合机械振动理论和机电一体化系统的特点，提出混沌强度的度量指标，并分析混沌效应的产生机理。本项目提出用混沌强度比较高的构件的运动作为俘能器的激励，为系统中低能耗元件提供能量。为此，将研究能够高效俘获混沌激励能量的物理原理及设计的关键技术，如在混沌轨道中寻找高能量轨迹并将俘能器的运动控制在该轨道上等。本项目研究的主要对象是直线模组和旋转模组、控制电机驱动的欠驱动机构、机器人双足被动行走器、静电MEMS。本项目的研究对于非线性科学、机构学和机电一体化的发展具有理论和实际应用意义

本项目以欠驱动连杆机构、直线模组和旋转模组、钢轨打磨机构、双足被动行走器等宏机电系统（MaEMs）和压电俘能器、微谐振器等微机电系统（MEMS）为研究载体，以探明机电一体化系统中多混沌效应的基本规律为主要研究目标，旨在为机电系统非线性动力学分析和设计、高效地俘获混沌激励的能量，以及非线性压电俘能器的设计提供理论和技术研究基础。 . 在机电系统非线性分析方法方面，本项目利用键合图建立了系统功率流分析方法，研究了发生混沌时系统功率流的变化状况；本项目的研究表明，当系统中包含多个非线性元素时，非线性元素之间是通过机械连接、电路连接以及压电材料性能等多种方式，产生了相互耦合作用，其作用的效果与连接的方式密切相关。这一结论不仅适用于整数阶动力学系统，而且适用于能够更加准确地反映材料物理性能的分数阶动力学系统；为描述非线性元素的耦合作用，提出了振动传播系数、混沌传播系数的指标，提出了改进描述混沌运动均匀度计算方法的措施，提出以振动强度作为描述杜芬振子混沌运动的指标。. 在非线性压电俘能器的研究方面，提出了可以用于俘获旋转振动能量的俘能器结构，提出了用于不能利用磁铁的磁力产生非线性作用力的多稳态机械式俘能器，还提出了可以产生内共振、大大降低激励阈值、增大俘能频带宽度的磁力T型俘能器；研究了将双稳态俘能器作并联、串联连接时系统的动力学特性及俘能效果。研究表明俘能器的混沌运动对俘能效果有直接的影响，在串联、弱磁力的情况下，混沌运动可以提高俘能效果，而在并联的情况下，阱间的混沌运动是产生高俘能效果的大幅阱间周期运动的前奏；针对混沌振子能量俘获问题，提出了俘能器阱间跳跃频率达到95%作为俘能器获得高效能的评价指标；提出了利用间歇控制法将俘能器控制到大周期运动轨道的方法，并以控制能耗最少为控制器优化设计目标，确定控制器参数的设计方法。. 本项目的研究工作推进了机电系统非线性科学理论的发展，为非线性机电系统的设计和分析提供了理论和技术基础。