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1. 可重构变刚度柔性驱动器的设计与性能分析
段韦婕,秦慧斌,刘荣,李中一,白绍平
工程设计学报    2023, 30 (2): 262-270.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.028
摘要   HTML PDF(pc) (4434KB)(83)   

柔性驱动器因其固有的柔顺特性,能够实现机器人与人之间的安全交互,且具有较强的环境适应能力。为满足外骨骼机器人对关节柔性及变刚度特性的要求,设计了一种具有可重构性的变刚度柔性驱动器,可通过改变弹性元件的几何参数、材料和数量来实现重构,通过径向调节预紧力来实现可调范围内的变刚度。首先,运用零长度机架四杆机构的传动原理,建立了变刚度柔性驱动器的刚度数学模型,分析了柔性分支数和弹性元件刚度、预紧力对驱动器输出扭矩和刚度的影响规律。然后,建立了驱动器的ADAMS虚拟样机模型,并开展静力学性能仿真分析,验证了刚度数学模型的正确性。最后,建立了驱动器的动力学模型,通过Laplace变换得到了动力学系统的传递函数。频率特性分析结果表明,该柔性驱动器的稳定性良好。所设计的柔性驱动器体积小且质量小,能够在可穿戴外骨骼机器人驱动机构中应用。研究结果为机器人柔性驱动关节的设计提供了理论和技术参考。

2. 小型陆空变形两栖机器人的设计与分析
杨展,李其朋,唐威,秦可成,陈岁繁,王铠迪,刘阳,邹俊
工程设计学报    2023, 30 (3): 325-333.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.043
摘要   HTML PDF(pc) (3333KB)(113)   

多功能小型机器人具有广阔的应用前景。为满足不同的作业需求,设计了一种小型陆空变形两栖机器人,其既可以实现高效的地面移动,又能通过升空飞行来避开障碍物。该机器人采用双模式设计,地面模式采用两轮驱动的运动设计,飞行模式采用四旋翼飞行设计,2种模式的切换通过机器人倾转机构的支撑、伸展来实现。为了验证机器人的运动性能,首先采用SolidWorks软件建立了机器人整机模型,并对机器人进行运动学建模,推导得到了机器人模式切换过程的运动学方程。然后,对机器人舵机输出进行MATLAB仿真和开展机器人物理样机模式切换实验,得到的输出扭矩仿真结果与实测结果基本一致,其范围为0~250 N·cm。最后,利用机器人物理样机开展地面移动和空中飞行测试,并对其运动过程进行分析,以验证机器人陆空运动及模式切换的稳定性。研究结果验证了所设计机器人的有效性,且其具有较长的续航时间,可为陆空两栖机器人的设计提供参考。

3. 多关节蛇形机器人的结构设计和运动实现
杜雪林,易文慧,邹家华,周灿,毛立,邓利诗,刘颖
工程设计学报    2023, 30 (4): 438-448.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.051
摘要   HTML PDF(pc) (5686KB)(111)   

针对蛇形机器人整体研制的关键问题,包括材料选取、结构设计和运动实现等,研制了一种新型的多关节蛇形机器人。该蛇形机器人由11个二自由度正交关节构成,可在保证灵活性的同时实现三维高仿生运动。采用蛇形曲线设计了蛇形机器人的蜿蜒、蠕动和翻滚等基本步态,并进一步提出了改进的越障步态。同时,在V-REP软件中对蛇形机器人的步态进行运动仿真,比较了不同步态的运动轨迹和运动效率。最后,通过蛇形机器人样机步态实验,对步态模型中各个控制参数对蛇形机器人运动波形和运动速度的影响进行了分析,验证了蛇形机器人本体结构与控制系统的可靠性。研究结果对实现蛇形机器人的步态规划与运动控制具有重要的理论意义与实际指导价值。

4. 基于功能表面驱动与可拓工具的产品人机工程问题确定方法研究
白仲航,艾琳璟
工程设计学报    2023, 30 (5): 531-544.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.062
摘要   HTML PDF(pc) (3766KB)(262)   

为了准确地确定产品人机工程问题,以提升人机交互性能,运用TRIZ(Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatc,发明问题解决理论)提出了基于功能表面驱动与可拓工具的冲突区域确定方法。首先,利用功能表面改进功能过程模型,识别人机工程问题的初始问题功能元,并结合可拓表达和相关分析完成初始问题功能元的转换及最终问题功能元的确定。然后,利用功能表面改进功能关系模型,识别产品的初始冲突区域,并结合可拓表达、相关分析、蕴含分析和优度评价完成初始冲突区域的转换及最终冲突区域的确定。最后,利用标准解对冲突区域中的不良作用进行求解,并通过优度评价完成方案的评价和筛选。通过割草机改进设计实例验证了所提出方法的可行性。研究表明,该方法有助于交互式产品冲突区域的确定,提高了其人机工程问题的解决效率。

5. 3D打印TPU材料的力学性能及模型参数研究
谢博伟,金莫辉,杨洲,段洁利,屈明宇,李锦辉
工程设计学报    2023, 30 (4): 419-428.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.054
摘要   HTML PDF(pc) (3189KB)(123)   

为了解决柔顺机构在优化设计过程中试验及性能验证困难的问题,采用3D打印技术对热塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethane,TPU)材料的力学性能进行了试验研究。分析了材料硬度和打印填充率对TPU材料力学性能的影响,获得了TPU材料较佳的3D打印参数。进行单因素和两因素试验并结合方差分析,确定了显著影响TPU试样柔性的主次因素分别为TPU材料硬度和打印填充率。结合TPU材料的力学性能试验数据,得到了Mooney-Rivlin、Yeoh、Ogden、Valanis-Landel等4种常用超弹性材料本构模型的材料参数与材料硬度、打印填充率之间的映射关系。研究表明:随着TPU材料硬度和打印填充率增大,试样的柔性减弱;在4种超弹性模型中,Ogden模型对于不同打印参数下的TPU试样都具有较好的力学性能预测效果;4种模型在相同TPU硬度、不同打印填充率下的预测效果没有明显差别。研究结果可以为TPU材料的3D打印和有限元仿真分析提供参考,为柔顺机构在设计过程中的试验、性能验证及样件制作提供可靠的技术支撑。

6. 爬壁机器人悬摆式磁吸附机构的设计与优化
张栋,杨培,黄哲轩,孙凌宇,张明路
工程设计学报    2023, 30 (3): 334-341.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.031
摘要   HTML PDF(pc) (4821KB)(142)   

为了解决爬壁机器人壁面适应能力差、运动灵活性低等问题,分析了现有爬壁机器人磁吸附机构存在的不足,并以轮式爬壁机器人为研究对象,根据爬壁机器人的功能要求,设计了一种壁面自适应悬摆式磁吸附机构。通过Ansoft软件对悬摆式磁吸附机构和传统磁吸附轮进行了对比分析。为了进一步减小磁吸附机构的质量,同时提高其吸附可靠性,基于高磁能利用率的目标,采用SNLP(sequential non-linear programming,连续非线性规划)算法对悬摆式磁吸附机构的结构参数进行优化,优化后磁吸附机构的吸附力增大了25.52%。研制了悬摆式磁吸附车轮样机,开展了吸附力测试实验和卸磁实验,并将其安装在爬壁机器人上,开展了运动性能测试实验,验证了磁吸附机构结构参数优化结果的合理性和结构设计的实用性。研究结果为提高爬壁机器人的工作性能提供了参考。

7. 基于多项式拟合的六维力传感器解耦算法研究
王志军,张小涛,李梦祥
工程设计学报    2023, 30 (5): 571-578.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.063
摘要   HTML PDF(pc) (1578KB)(53)   

六维力传感器作为重要的空间力感知元件,被广泛应用于机器人的力/位置控制、抓取装配、轮廓检测、自主避障和人机交互等。目前,提高精度是六维力传感器的主要研究方向之一。但由于受到自身结构和加工误差等因素的影响,六维力传感器会产生维间耦合现象,而维间耦合是影响其精度的重要因素。为减少耦合误差的影响,采用误差分析、理论推导及实验验证相结合的方法对六维力传感器的解耦算法进行研究。首先,对六维力传感器进行了耦合分析,得到其耦合模型。然后,对六维力传感器的线性解耦算法进行研究,并在此基础上提出了基于多项式拟合的解耦算法,以在不改变六维力传感器结构的前提下减小耦合误差,从而提高其精度。最后,选用正交并联六维力传感器开展标定实验,并分别采用2种算法进行解耦求解。结果表明,基于多项式拟合的解耦算法能减小维间耦合对六维力传感器精度的影响;所提出的解耦算法有效地提高了六维力传感器的精度,与线性解耦算法相比,最大耦合误差减小了8.914个百分点且线性度误差减小了0.111个百分点。研究结果可为六维力传感器维间耦合误差的减小和精度的提高提供参考。

8. 关节电机驱动六足机器人仿生结构设计与柔顺运动控制
丁杨,张明路,焦鑫,李满宏
工程设计学报    2023, 30 (2): 154-163.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.022
摘要   HTML PDF(pc) (3884KB)(147)   

现有六足机器人在单足结构设计、机体布置形式及柔顺运动控制等方面存在不足,导致其地形适应能力不强,运动柔顺性能不高。为此,开展了典型六足生物——蚂蚁的观测实验,基于蚂蚁生理结构特征和驱动方式分析,提出了适用于六足机器人结构设计的基本原则;基于低惯量单足结构设计,通过优化机器人机体布局,提出了关节电机驱动六足机器人整体仿生结构;基于六足机器人直行和转向运动步态,规划了三角函数曲线与直线相结合的足端轨迹,提出了基于分级控制的六足机器人柔顺运动控制方法。样机实验结果表明,六足机器人结构设计合理,能够实现相对柔顺的直行和转向运动。研究结果可以为机器人仿生结构设计及柔顺运动控制提供重要参考。

9. 基于改进果蝇优化算法的塔机自适应滑模控制研究
何育民,韩莹,周晶
工程设计学报    2023, 30 (3): 271-280.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.040
摘要   HTML PDF(pc) (3089KB)(134)   

针对部分工况下塔机负载摆角直接测量困难、系统滑模控制器抖振明显以及控制器参数调节复杂等问题,提出了一种基于改进果蝇优化算法的塔机自适应滑模控制方法。首先,根据拉格朗日方程,得到了塔机单摆系统的动力学模型。然后,设计了线性扩张状态观测器,用于观测塔机负载摆动状态,并将观测结果反馈到自适应滑模控制器中;在构造滑模面时,采用双曲正切函数代替常用的符号函数以增加其连续性,从而减小抖振。最后,改进了果蝇优化算法的寻优策略及搜索半径,并对自适应滑模控制器的参数进行了优化。结果表明,所设计的线性扩张状态观测器跟踪观测塔机负载摆角的收敛速度较快且跟踪误差小于1.3%;经改进果蝇优化算法优化后的自适应滑模控制器不仅对负载摆动有较好的抑制作用,而且具有较强的抗干扰性和鲁棒性。所提出的控制方法可在实现精确定位的同时有效避免塔机负载摆动带来的安全隐患,保障工人的安全和工程的顺利开展。

10. 新型高速列车风阻制动装置设计与仿真分析
谢红太,王红,柴伟
工程设计学报    2023, 30 (2): 244-253.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.030
摘要   HTML PDF(pc) (3662KB)(70)   

运行时速超过350 km的高速列车在高速阶段辅助制动或紧急制动时,风阻制动是一种行之有效的制动措施。研制综合气动性能优越及适用性广的风阻制动装置是下一代时速400+ km高速列车开发中亟待解决的关键技术问题之一。在总结分析现有技术的可行性和实用性的基础上,提出了新型风阻制动装置的设计理念和方法,重点从满足多级协同制动、优化气动性能、降低气动噪声及减弱结构振动等方面考虑开发实施,完成了窗形风阻制动装置及其改进型设计方案。结果表明:通过前后设置的沿安装基座前后边缘转动开启的2排风阻制动板进行多模式选择制动,有效克服了传统风阻制动板从前往后开启所造成的气动噪声剧烈、颤振及后排风阻制动板制动效率低等问题;同时,采用自馈补偿和板型导流两种制动补偿方式对风阻制动装置的二次空气动力学性能进行优化设计,进一步改善了装置制动工作时的外围流场结构,最大程度避免了非制动状态下附加气动阻力的形成;针对风阻制动装置的传动控制,创新性地设计了电路模拟控制和液压驱动控制方案。以运行时速为400 km的CR400AF平台动车组单节车辆装配单组改进型窗形风阻制动装置为计算模型,模拟得到装置在紧急制动时贡献的气动阻力为4.70 kN,产生的气动升力为1.13 kN,具备较好的高速阶段增阻特性。窗形风阻制动装置及其改进型设计方案在制动效率、风阻制动板利用率、空气动力学性能及气动噪声等方面表现出较强的优势。未来高速列车风阻制动装置的设计及应用需进一步从线路条件、运行风环境、瞬时启停性能、电控系统、结构振动及强度设计等方面开展实验研究。

11. 人机交互遥操作机器人软体手位置跟踪设计与实现
杨淦华,曾庆军,韩春伟,黄鑫,戴晓强
工程设计学报    2023, 30 (2): 164-171.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.027
摘要   HTML PDF(pc) (2837KB)(69)   

针对遥操作机器人在深海等未知环境中抓取软体物体或易碎物体的工作需求,提出了一种人机交互遥操作机器人的主从软体手位置跟踪方法。首先,介绍了主从软体手控制系统的构成与工作原理,该系统主要包括主端控制回路、通信链路和从端控制回路,用于控制软体手的抓取动作。然后,阐述了软体手指的建模过程与控制器设计,采用假设模态法进行建模,并在软体手指的位置跟踪控制中引入模型预测控制算法,以解决软体从手跟踪软体主手性能差的问题。最后,设计并研制了软体主手、软体从手及其控制系统,其中软体从手以硅胶为原料并嵌入固体材料来增大刚度,同时开展了软体从手跟踪软体主手抓握目标物体的实验。仿真结果表明,所设计的模型预测控制器能有效解决软体手指因模型失配而引起的控制精度下降问题;实验结果表明,所研制的软体从手能有效跟踪软体主手并实现目标物体的抓握,整个控制系统运行良好。研究结果为人机交互遥操作机器人软体手的跟踪控制应用提供了参考。

12. 直写成形制备FGMs零件时延迟信息的数字化预测方法
王世杰,王龙,马硕,杨杰,马聪,段国林
工程设计学报    2023, 30 (2): 127-135.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.021
摘要   HTML PDF(pc) (3630KB)(99)   

采用直写成形工艺制备FGMs(functionally graded materials,功能梯度材料)零件时存在材料配比变化延迟的现象,导致所制备零件的材料配比与设计目标的吻合度较差,材料性能的未知性增大,从而存在潜在的使用风险。为了准确获取在不同工艺参数下材料配比的延迟信息,构建了一种基于计算流体力学的神经网络预测模型。基于RNG k-ε模型,采用优化后的贝叶斯正则化神经网络模型来预测不同工艺参数所对应的延迟信息,即在不同的材料初始配比、目标配比、螺杆转速、双挤出柱塞进给速率和下预测交付延迟时间和整体延迟时间,其预测精度分别可以达到94.87%与92.74%。采用数字图像处理方法对在不同工艺参数下打印的FGMs试样进行处理,结果表明实际打印试样的材料梯度变化曲线与仿真结果有较高的吻合度,验证了以计算流体力学为分析框架的仿真结果的准确性以及所构建的优化神经网络模型对延迟信息预测的可行性与可靠性。研究结果为未来将数字化预测方法融入FGMs零件本体制备的工艺提供了参考,可以促进传统制造模式向数字化制造模式转变,最终实现FGMs零件的精准制造。

13. 雾化辅助CVD腔体的优化设计与实现
樊俊良,肖黎,罗月婷,陈刚,瞿小林,唐毅,龚恒翔
工程设计学报    2023, 30 (2): 182-188.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.018
摘要   HTML PDF(pc) (4602KB)(72)   

为了实现雾化辅助CVD(chemical vapor deposition,化学气相沉积)腔体的可定制性、可复用性及经济性,并满足高质量单晶氧化镓(Ga2O3)薄膜制备的实际需求,设计开发了一种新型雾化辅助CVD腔体。该腔体主要由反应腔室模块、冷却模块和缓冲腔室模块组成。采用新型腔体和常规腔体进行了单晶Ga2O3薄膜制备实验,对Ga2O3薄膜进行了X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)图谱分析,并采用原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)观察其表面形貌。实验结果表明:采用新型腔体可制备出性能更优的α-Ga2O3、β-Ga2O3薄膜;采用新型腔体和常规腔体制备的α-Ga2O3薄膜的(006)晶面的半峰宽分别为0.172°、0.272°,表面粗糙度分别为25.6 nm和26.8 nm,可见采用新型腔体制备的α-Ga2O3具有更优的结晶度、表面平整性和致密度。通过新型腔体的设计,构建了更有利于单晶Ga2O3薄膜生长的稳定环境,为Ga2O3薄膜制备工艺的优化提供了可靠路径。研究结果为制备高品质金属氧化物半导体薄膜提供了参考。

14. 基于多材料3D打印技术的RFID天线快速制造
官俊,丁医华,葛青涛,赵帅,陆杨,张婕
工程设计学报    2023, 30 (3): 288-296.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.041
摘要   HTML PDF(pc) (3953KB)(153)   

为了保护RFID(radio frequency identification,射频识别)天线,避免其接触外部环境而氧化、腐蚀,以及为了提高产品的防伪性、一体性与美观性,需要将RFID天线放置在产品结构表面或产品内部。为了快速制造这类产品,搭建了一台集成熔融沉积成形(fused deposition modeling, FDM)和直写成形(direct ink writing, DIW)这2种3D打印技术的多材料3D打印机,其可打印面积为220 mm×190 mm。通过ANSYS HFSS仿真软件分析了天线结构与基板结构对RFID天线辐射性能的影响;然后,选取4种RFID天线作为3D打印对象,使用导电银浆和聚乳酸(polylactic acid, PLA)分别作为天线和基板的打印材料,并对天线打印件回波损耗的实测曲线与仿真曲线进行比较。结果显示,4种RFID天线的谐振频率相对于其设计频率915 MHz均向低频方向发生了约185 MHz的偏移。根据天线打印件回波损耗的测量结果,进一步优化天线模型,并打印了一款基板厚度为3 mm、天线臂长为55 mm的内嵌式RFID天线,其满足谐振频率为915 MHz且-10 dB下带宽大于150 MHz的设计要求。研究结果验证了利用多材料3D打印技术一体化打印RFID天线及产品本体的可行性,为RFID天线的快速制造提供了参考,该工艺具有广阔的应用前景。

15. 电流体泵驱动的柔性弯曲执行器的设计及分析
张涛,王开松,唐威,秦可成,刘阳,石雨豪,邹俊
工程设计学报    2023, 30 (4): 467-475.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.056
摘要   HTML PDF(pc) (3314KB)(163)   

针对目前柔性执行器需要外置的刚体泵和阀的问题,基于人手指弯曲抓握的运动特点,设计了一款由内嵌电流体泵驱动的柔性弯曲执行器。设计了电流体泵,通过实验分析了电流体泵的极板间距和电极孔直径对电流体泵输出流量和压强的影响,确定了电流体泵针电极、孔电极等部件的尺寸,研制了电流体泵样机。将多个电流体泵串联及并联,分别得出了输入电压与输出流量、输出压强的关系,确定了以2个电流体泵串联的方式来驱动软体执行器;建立了柔性执行器的力学模型,对柔性执行器进行了弯曲仿真和实验,得到了驱动压强与柔性执行器弯曲角度之间的关系,证明了柔性执行器具有良好的弯曲性能。弯曲角度的实验值、仿真值、理论值较一致,理论模型和仿真模型可以较为准确地描述柔性弯曲执行器的弯曲变形。电流体泵与柔性执行器高度集成,使电流体泵可以直接驱动柔性执行器弯曲变形,实现了柔性弯曲执行器的可携带性。

16. 考虑平均应变的低周疲劳寿命本征损伤耗散预测方法
王嘉栋,胡明,严伟,李浩然
工程设计学报    2023, 30 (2): 136-143.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.026
摘要   HTML PDF(pc) (2595KB)(107)   

金属构件疲劳破坏是工业中常见的破坏形式。为了提高构件疲劳寿命的预测精度,针对低周疲劳载荷下平均应变对疲劳寿命的影响,基于连续介质损伤力学及其不可逆热力学框架,并引入Ramberg-Osgood循环本构模型,以等本征损伤耗散功作为等寿命条件,建立了一种考虑平均应变的低周疲劳寿命预测模型。为对比验证新建模型的有效性和先进性,采用新建模型、修正的Ohji模型、Sandor模型和Wei-Wong模型分别对叠加平均应变的45钢和2124-T851铝合金的低周疲劳寿命进行了预测,并与对应的试验结果进行对比。结果表明:新建模型的预测结果与试验结果吻合较好,其预测效果优于现有模型。基于本征损伤耗散理论的疲劳寿命预测方法为金属材料疲劳寿命的预测提供了新思路。

17. 基于自适应神经网络的机械臂滑模轨迹跟踪控制
李琦琦,徐向荣,张卉
工程设计学报    2023, 30 (4): 512-520.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.050
摘要   HTML PDF(pc) (2915KB)(128)   

针对动态建模误差和不确定性扰动对机械臂末端高精度轨迹跟踪控制的不利影响,提出了一种新型的基于自适应神经网络的机械臂滑模控制策略。该控制策略可分为三部分:自适应神经网络补偿项、切换控制项和等效控制项。自适应神经网络的引入,避免了建模误差和外界未知扰动对机械臂系统的影响,提高了轨迹跟踪精度;切换控制项可使机械臂系统性能在迅速趋近滑模面的同时以很小的速率趋近平衡点,既能保证系统稳定,又能避免系统过于抖振;等效控制项用于对机械臂动力学模型的重力项和哥氏力项进行补偿,实现对模型的线性化处理,保证了系统的控制精度。最后,通过构造Lyapunov函数验证了所设计控制系统的稳定性,并在MATLAB/Simulink环境下和机器人系统工具箱中开展仿真实验和对比实验。结果表明,所提出的控制算法能够在保持机械臂稳定性的同时实现高精度的轨迹跟踪,验证了该控制算法的有效性和优越性。自适应神经网络滑模控制算法可为提高机械臂末端轨迹跟踪精度提供一种解决方案。

18. 基于人体动力学分析的下肢外骨骼助力设计及机构优化
陈贵亮,李子浩,蔡超,李永超,杨冬
工程设计学报    2023, 30 (3): 362-371.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.037
摘要   HTML PDF(pc) (3892KB)(79)   

为设计助力效果良好的被动式下肢外骨骼,基于对人体行走的运动和力学特征以及相关主要肌群的力学表现的分析,提出了一种下肢外骨骼优化设计方法。通过开展人体行走实验,获取人体运动学信息和足底反力,并将其用于驱动Anybody仿真,从而得到人体行走过程中下肢肌肉的力学数据。借助Hill肌肉模型建立人体矢状面内的髋关节肌肉-肌腱-骨骼简化模型,并在该模型中添加虚拟扭簧以模拟助力外骨骼的作用,形成人体-外骨骼一体化模型。在此基础上,对穿戴助力外骨骼行走时的人机交互力以及穿戴者的肌肉激活情况进行量化分析。建立以扭簧刚度为变量的肌肉激活程度、代谢能计算模型,并以代谢能最低为目标,利用粒子群算法对虚拟扭簧的刚度进行优化以获得最优值。据此,提出髋关节助力外骨骼机构设计方案,并以机构的辅助力矩与虚拟扭簧力矩差值最小为目标进行优化,得到机构中拉簧刚度和各个连杆尺寸的最优值,作为外骨骼机构设计参数。同时,制作髋关节助力外骨骼样机并开展助力行走实验。结果表明,穿戴该助力外骨骼行走时人体代谢能降低效果显著。研究方法可为其他下肢外骨骼的设计和分析提供借鉴。

19. 起重机生命周期载荷谱预测及基于疲劳寿命的结构优化设计
戚其松,李成刚,董青,陈钰浩,徐航
工程设计学报    2023, 30 (3): 380-389.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.019
摘要   HTML PDF(pc) (1996KB)(117)   

起重机在服役期间长期承受具有不同特征的交变载荷的作用,其结构因疲劳而导致承载能力下降。为了研究在实际工作过程中载荷及应力变化对起重机结构疲劳寿命的影响,首先,利用神经网络对起重机在服役期间的载荷谱进行分析,准确预测其载荷特征,并结合预测的载荷谱及其结构承载特性分析起重机在服役期间的应力—时间历程;其次,利用Miner线性损伤累积理论和线弹性断裂力学法,预测起重机结构关键部位的疲劳寿命;最后,以起重机结构关键部位的疲劳寿命及结构承载能力为约束,建立考虑起重机服役期间载荷特征的优化设计模型,采用智能优化算法在全局范围内搜索最优设计变量组合,获取满足疲劳寿命和承载能力设计要求的起重机结构最佳设计参数。研究结果表明了结构疲劳寿命计算与智能优化算法相结合的方法在起重机结构优化设计中的可行性,为起重机结构的轻量化设计提供了全新的思路。

20. 高带宽压电片变形镜的动力学仿真与优化方法研究
杨开科,罗俊鹏,马文静,耿远超,王德恩,袁强
工程设计学报    2024, 31 (1): 130-136.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.311
摘要   HTML PDF(pc) (3865KB)(59)   

为进一步提高压电波前校正器的响应速度和轻量化程度,对面向高动态形状控制的压电片变形镜的动力学仿真与优化方法进行了研究。首先,基于压电片变形镜的参数化有限元模型,提出了高效、高精度的电-力耦合动力学仿真分析方法。然后,通过正交遍历多维设计参数(光学反射镜与压电陶瓷的材料类型、几何尺寸和固定方式等),探究了不同参数对压电片变形镜动态形状控制性能的影响规律。最后,优化得到具有预期响应带宽和驱动位移性能的压电片变形镜设计方案,并通过制备压电片变形镜的原理样件来验证其性能。实验结果表明,所研制的压电片变形镜的固有频率和镜面驱动位移幅值符合预期,验证了所提出的动力学仿真与优化方法的有效性,这可为高带宽压电片变形镜的高效研制提供科学的理论方法。

21. 基于激光扫描和三维栅格地图的掘进巷道空间建模方法研究
刘少杰,李志海,刘治翔,邹康
工程设计学报    2023, 30 (3): 306-314.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.034
摘要   HTML PDF(pc) (4799KB)(97)   

采用常规煤矿巷道三维点云信息地图建模方法得到的点云数据庞大而繁杂,运算量很大,因此提出了基于激光扫描和三维栅格地图的掘进机截割成形三维扫描系统和掘进巷道空间建模方法。将点云数据与三维栅格进行映射,将巷道空间划分为有限个栅格,构成巷道空间三维栅格地图,并将三维栅格地图划分为多个功能区域。通过三维扫描激光雷达坐标系与巷道坐标系的转换,实现了将激光雷达获取的点云数据转换为巷道外轮廓数据,来分析掘进机截割的超挖和欠挖误差。实验表明,当三维栅格边长设定为10 cm时,采用由截割成形巷道三维栅格地图建模方法得到的栅格地图指导掘进机自主截割作业,相比采用常规点云地图可减少84.7%的数据处理量,极大减轻了截割控制系统处理器的负担。研究结果为基于激光雷达三维扫描的掘进机自主截割作业系统的设计及应用提供了依据。

22. 新型线驱动式微创手术器械结构设计与运动学分析
赵万博,陈赛旋,姜官武,李荣,章宇
工程设计学报    2023, 30 (6): 657-666.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.03.131
摘要   HTML PDF(pc) (4318KB)(136)   

在微创手术机器人系统中,传统线驱动式手术器械的偏摆关节与夹持器的转动关节之间存在运动耦合,这会对手术器械的运动精度产生不良影响。为此,提出了一种新型的四自由度线驱动式手术器械,其偏摆关节采用行星齿轮式结构,以实现偏摆关节与夹持器之间的运动解耦。首先,对传统线驱动式手术器械的关节运动耦合问题进行了分析。然后,设计了行星齿轮式转动的偏摆关节,并通过几何理论分析证明了其具有极低的关节耦合性,且钢丝绳在运动过程中的受迫形变量极小;同时,通过标准D-H参数法建立了新型手术器械的正运动学模型,并利用解析法求得了其逆运动学的封闭解。最后,分别使用MATLAB软件的Robotics Toolbox和Simulink环境中搭建的仿真模型对手术器械的正、逆运动学模型的准确性进行了验证,并采用蒙特卡罗法分析了其工作空间。仿真结果表明,所提出的手术器械的结构设计可靠,关节之间的运动耦合性较低,其工作空间能够满足微创外科手术的要求。研究结果可为柔性线驱动式手术器械的结构设计与运动学分析提供参考。

23. 具有语音控制功能的举高类消防车控制系统设计
张静宇,高志刚,仝瑶瑶,张玉凤,张勇
工程设计学报    2023, 30 (3): 281-287.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.044
摘要   HTML PDF(pc) (1859KB)(131)   

举高类消防车控制系统复杂,整车操作需要多名操作人员在多个操作位置配合完成,且对操作人员技术水平的要求较高。为此,提出了一种具有语音控制功能的举高类消防车控制系统。在举高类消防车原有控制系统的基础上,增加了自动控制功能、语音控制功能和语音播报功能,以代替常规的手柄及按钮操作方式。其中,语音控制功能即通过语音控制模块识别操作人员的特定语音指令,并通过CAN(controller area network,控制器局域网)总线发送到PLC(programmable logic controller,可编程逻辑控制器),而后PLC根据语音指令和消防车状态自动控制消防车动作。当消防车出现状态变化或发生故障时,PLC将语音指令发送至语音播报模块,语音播报模块基于预存的语音信息进行语音播放,以便操作人员接收重要信息。试验结果表明,所设计的举高类消防车控制系统具有可行性,可有效降低操作难度和提高操作效率。该新型控制系统可迅速推广至其他类型的消防车以及相关的工程机械类产品,具有较高的应用价值。

24. 轮式搜救机器人地形自适应机构设计及越障性能分析
赵迪,陈果,陈小利,王熊锦
工程设计学报    2023, 30 (5): 579-589.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.059
摘要   HTML PDF(pc) (2923KB)(125)   

针对复杂地形环境下搜救机器人越障性能的要求,设计了一种轮式搜救机器人的被动地形自适应机构,并对其越障性能进行了分析。首先,在分析传统越障机构的基础上,开展了地形自适应机构的选型,并结合遗传算法对其进行优化,完成了对轮式搜救机器人被动地形自适应机构的设计。然后,基于达朗贝尔原理建立了轮式搜救机器人的动力学模型,并对其越障能力进行了分析与计算。最后,建立轮式搜救机器人的多刚体动力学模型,开展了越障性能仿真,并与理论计算结果进行了对比。对比结果验证了轮式搜救机器人的越障及地形自适应能力。研究结果可为轮式搜救机器人样机的搭建及后续研究的开展提供理论依据。

25. 基于FMI的轴向柱塞泵分布式联合仿真与动态优化
郭志敏,戴海曙,翟江,洪昊岑,王柏村,谢海波,杨华勇
工程设计学报    2023, 30 (4): 495-502.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.058
摘要   HTML PDF(pc) (4508KB)(161)   

运用联合仿真的方法能够实时分析柱塞泵的运动学、动力学性能以及液压系统特性,其可广泛应用于柱塞泵产品的设计与优化。针对传统优化过程中分析与优化的离散化、效率低等不足,提出了一种基于功能模型接口(functional mock-up interface,FMI)的轴向柱塞泵分布式联合仿真方法,通过开发自动优化组件,实现对阻尼槽结构参数的迭代优化。首先,进行柱塞泵轴系运动学、动力学分析,建立其运动模型和受力模型,来确定轴系组件的约束关系;其次,搭建了柱塞泵联合仿真模型,研究了柱塞的运动、受力和变形特性;然后,基于云端服务器搭建了柱塞泵分布式联合仿真模型,通过FMI技术实现了各个仿真软件的同步调用;最后,基于云平台架构,开发了柱塞泵阻尼槽优化设计模板,实现了对阻尼槽最优结构参数的求解及其模型自动创建。仿真结果表明,阻尼槽结构优化后,柱塞泵出口流量脉动率降低了35.78%。所提出的方法能有效提高仿真与优化的效率,减轻研发人员的工作负担。