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Journal of Zhejiang University SCIENCE A
ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly
2024 Vol.25 No.6 P.443-524
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Research Articles
A learning-based control pipeline for generic motor skills for quadruped robots
Yecheng SHAO, Yongbin JIN, Zhilong HUANG, Hongtao WANG, Wei YANG
DOI: 10.1631/jzus.A2300128 Downloaded: 705 Clicked: 824 Cited: 0 Commented: 0(p.443-454) <Full Text><PPT> 64
机构：1浙江大学，交叉力学中心，中国杭州，310027；2浙江大学，杭州国际科创中心，中国杭州，311200；3浙江大学，流体动力与机电系统国家重点实验室，中国杭州，310058；4浙江大学，应用力学研究所，中国杭州，310027
目的：控制四足机器人实现连续、可控的多种运动。
创新点：1.将动作生成与基于动作模仿的强化学习方法结合，使用同一个控制器，跟踪不同运动学轨迹，在实物机器人上实现步态切换、高抬腿和跳跃等不同动作。2.提出参考轨迹可预测性的概念，强化学习控制器具备挖掘参考轨迹内在关联性的能力，揭示动作模仿中控制器输入的参考轨迹长度对控制器性能的影响机理。
方法：1.通过动作捕获、草绘与轨迹优化等方法，建立运动轨迹数据库。2.通过基于动作模仿的强化方法，在仿真环境中训练控制器模仿数据库中的动作。3.基于控制器设计动作状态机，根据用户指令实时生成可控的运动轨迹，作为控制器的输入，实现对实物机器人的控制。4.提出参考轨迹可预测性的概念，分析参考轨迹长度对控制器性能的影响。
结论：1.本文所提出的控制方法可以在实物机器人上实现对多种技能的控制。2.参考轨迹长度对控制器性能的影响是通过可预测性实现的；对于可预测性低的运动，可以通过补充参考轨迹长度提高控制器性能。
关键词组：四足机器人；强化学习；动作生成；控制
Liang LU, Zhongdong LIANG, Yuming LIU, Zhipeng WANG, Shohei RYU
DOI: 10.1631/jzus.A2300114 Downloaded: 425 Clicked: 603 Cited: 0 Commented: 0(p.455-469) <Full Text><PPT> 63
机构：1同济大学，机械与能源工程学院，中国上海，201804；2同济大学，教育部自主智能无人系统前沿科学中心，中国上海，201210；3日立建机株式会社，技术研究实验室，日本土浦，300-0013
目的：伴随数字阀在流体控制中日益体现的高端品质，锥阀作为数字阀的主要阀芯结构，其空化与流量饱和问题日益受到重视。本文借助实验与仿真手段，旨在揭示漩涡空化成形机理及其伴随孔口长径比形态变迁的物理规律，以及大尺度空化对流量饱和的影响特性，为高品质锥阀结构设计提供基础依据。
创新点：1.应用流束收缩理论定义锥阀固定型与离散型空化的漩涡成型机理与形态变迁规律；2.使用大涡模拟合理复现空化形态并揭示空化对流量饱和的影响规律。
方法：1.通过可视化实验，获得锥阀空化的几何形态，并验证数值模型的合理性；2.通过数值计算，研究空化形态随锥阀结构的变化规律；3.利用阀口开度、密封长度和阀芯半锥角三个参数定义长径比无量纲指标，衡量空化形态与流量饱和特性的变化规律。
结论：1.锥阀阀口流束内外收缩性质的不同，导致阀口内部固定漩涡与阀口下游离散漩涡的差异，进而形成固定漩涡空化和离散漩涡空化的形态区别。2.使用阀口开度、密封长度和阀芯半锥角定义阀口等效长径比，可用于评价空化几何形态的变迁规律。3.固定漩涡空化对流量饱和的影响程度较大；离散漩涡空化因完整的溃灭过程而对流量饱和影响较小。
关键词组：锥阀；流束收缩；漩涡流动；蒸汽空穴；流量饱和
Congyue LI, Yihuai HU, Jiawei JIANG, Dexin CUI
DOI: 10.1631/jzus.A2300273 Downloaded: 614 Clicked: 879 Cited: 0 Commented: 0(p.470-482) <Full Text><PPT> 56
机构：1上海海事大学，商船学院，中国上海，201306；2上海电子信息职业技术学院，机械与能源工程学院，中国上海，201411
目的：船用发电柴油机工作环境恶劣，在内外多激励源的干扰下，振动信号呈现非线性非平稳性的特点。本文旨在对船舶发电柴油机的振动信号进行有效特征提取并准确识别故障类型。同时，研究所提方法的有效性，以提高船舶发电柴油机的故障诊断精度。
创新点：1.一维振动信号可通过格拉姆角场转换为二维图像；一维振动信号可以映射到二维图像的颜色、点、线和其他特征；为充分利用故障特征信息，将格拉姆角和场和格拉姆角差场获得的图像进行加权平均融合。2.利用多注意力机制来优化卷积神经网络学习机制，使网络有选择地提取信号中的关键特征信息。
方法：1.对船舶发电柴油机的气阀间隙进行故障预设，采集柴油机不同健康状态振动信号。2.将振动信号转化为二维图像，并将格拉姆角和场和格拉姆角差场获得的图像进行加权平均融合，以充分利用原信号中的故障特征信息。3.将融合后的图像输入到卷积神经网络中进行自适应特征提取和故障识别。
结论：1.所提方法可准确识别故障类型，平均诊断精度可达98.40%；与其他方法相比，所提方法具有更高的故障诊断精度。2.在不同信噪比下，所提方法与无注意力机制方法相比，准确精度可提高14.80%。3.融合后的图像可为神经网络提供更充足的特征信息，因此具有更高的故障识别精度。4.变负荷实验中，所提方法的准确率均保持在89.00%以上，进一步验证了所提方法的稳定性。
关键词组：多注意力机制；卷积神经网路；格拉姆角场；图像融合；船舶发电柴油机；故障诊断
Yuansheng YU, Lingling LI, Xiangmiao KONG, Chengyuan LI, Zhen GUO
DOI: 10.1631/jzus.A2300180 Downloaded: 626 Clicked: 530 Cited: 0 Commented: 0(p.483-501) <Full Text><PPT> 45
机构：1浙江大学，建筑工程学院，浙江省海洋岩土工程与材料重点实验室，中国杭州，310027；2浙江大学，海南研究院，中国三亚，572000；3宁海县公路与运输管理中心，中国宁波，315600；4宁海交通工程建设管理所，中国宁波，315600
目的：水泥搅拌桩桩强往往因受到原位土体含水率和水泥掺量等因素影响而存在不确定性。本文旨在基于试验所得桩强分布，通过随机有限元数值模拟研究探讨不同形式的桩强不确定性对海堤变形和稳定性的影响，并研究依据确定性参数进行计算和设计对结构的影响。
创新点：1.基于十字板剪切试验，通过蒙特-卡罗抽样和插值确定水泥搅拌桩桩强分布；2.建立考虑桩强不确定性的随机有限元模型；3.对比不同形式的桩强不确定性对海堤变形和稳定性的影响。
方法：1.通过室内试验，得到不同含水率和水泥掺量下的水泥土短期强度；2.通过蒙特-卡罗抽样和双线性插值，获得水泥土强度分布参数；3.建立有限元数值模型，通过USDFLD子程序赋予随机桩强，并通过大量算例分析桩强不确定性对海堤变形和稳定性的影响。
结论：1.水泥土不排水抗剪强度受水泥掺量和原状土含水率影响；假设其为服从正态分布的随机变量，则固化土体不排水抗剪强度服从正态分布。2.水泥搅拌桩强度的提升能够显著抑制淤泥土和水泥搅拌桩桩身的塑性应变发展，进而使海堤稳定性得到明显提升。3.当水泥搅拌桩强度均值低于一定阈值时，海堤存在整体失稳风险；单根水泥搅拌桩内部的强度空间变异性对海堤稳定性具有更显著的影响。4.当桩强客观存在不确定性时，依据确定性参数进行计算和设计将使得结构偏于不安全，因此须留有更多的安全系数裕度。
关键词组：施工不确定性；水泥搅拌桩；水泥土强度；海堤稳定性；随机有限元；蒙特-卡罗模拟
Peihu SHEN, Jun WEN, Biqin DONG, Hedong LI, Minjia WANG
DOI: 10.1631/jzus.A2300157 Downloaded: 409 Clicked: 673 Cited: 0 Commented: 0(p.502-515) <Full Text><PPT> 33
机构：1浙江理工大学，建筑工程学院，中国杭州，310018；2深圳大学，土木与交通工程学院，中国深圳，518061；3浙江省化工研究院有限公司，浙江杭州，310023
目的：钢结构应用广泛，但极易发生腐蚀。本研究旨在通过静电喷涂和低温热处理技术在碳钢表面制备乙烯-三氟氯乙烯（ECTFE）涂层，并对涂层钢的腐蚀行为及耐蚀机理进行深入研究，以揭示在ECTFE涂层保护下碳钢的界面腐蚀演变规律，并为钢结构耐久性技术的提升以及防腐涂层材料的发展提供新的思路。
创新点：1.将半结晶态的ECTFE涂层涂覆于碳钢表面，可对钢结构进行良好的腐蚀防护；2.涂层钢的边缘腐蚀行为会影响附着力，但涂层的致密结构依然能够起到屏障作用。
方法：1.采用静电喷涂结合低温热处理技术在碳钢表面制备ECTFE涂层；2.通过热分析仪TG-DSC确定ECTFE的致密化成型温度，并采用傅里叶变换红外光谱仪、X射线衍射、扫描电子显微镜和能谱仪表征ECTFE涂层钢在3.5%（质量分数）的NaCl溶液中浸泡90d后前后涂层及界面的结构组成、形貌演变及元素分布，同时测试不同浸泡时期涂层钢的开路电位（OCP）、电化学阻抗谱（EIS）和动电位扫描特性。
结论：1.将ECTFE涂层在3.5%的NaCl溶液中浸泡90 d后，其外表面结构稳固；2. F离子能扩散进入钢基体，有助于涂层和钢基体的结合，但会削弱涂层的晶态结构；3.由于涂层边缘较薄，腐蚀介质容易从边缘侵入，造成边缘腐蚀；4.涂层钢在边缘腐蚀的情况下，由于涂层结构致密稳定，所以其依然具有优异的阻隔效果。
关键词组：涂层；氟树脂；边缘腐蚀；腐蚀行为；电化学性能
Shangkun DING, Saihua HUANG, Yiping ZHANG, Yongchao ZHOU
DOI: 10.1631/jzus.A2300287 Downloaded: 544 Clicked: 640 Cited: 0 Commented: 475(p.516-524) <Full Text><PPT> 51
机构：1浙江大学，市政工程研究所，中国杭州，310058；2浙江水利水电学院，中国杭州，310018
目的：近年来锑污染日益严重，因此亟需探索出经济有效的方法除锑。本文旨在提出一种经济环保、操作简单、效果稳定的微电解除锑技术，并探究其去除效果、影响因素及去除机理。
创新点：1.提出了基于铁锰碳填料的微电解系统除锑；2.探究了铁锰碳微电解体系除锑的主要机理（包括氧化还原作用、吸附和共沉淀作用）。
方法：1.在不同水力停留时间、铁碳质量比和锰含量的情况下，探究铁锰碳微电解去除性能的变化；2.对微电解产生的絮体进行X射线衍射、能量色散X射线光谱、比表面积测试、X射线光电子能谱等微观结构分析，探究铁锰复合双氢氧化物的形成和Sb(V)去除的机理。
结论：1.当水力停留时间为10~24h、填料投加量为250g/L、pH值为6.5、铁碳比为1.6:1、Sb(V)初始浓度为1mg/L时，铁锰碳微电解的Sb(V)平均去除率比铁碳微电解高7.60%~9.67%。2.最佳实验工况下，铁锰碳微电解法的Sb(V)去除率可达91.85%。3.机理分析表明，在铁锰碳微电解反应中，部分Sb(V)被反应生成的具有良好吸附性能的铁锰复合双氢氧化物絮体吸附去除，而另一部分被还原为Sb(III)，并在混凝过程中生成Sb(OH)3沉淀，进而被絮体的吸附和共沉淀反应去除。
关键词组：锑；铁；锰；微电解；电化学；机理